De race is aan de gang sinds de eerste silicium-computerchips begonnen te verschijnen. Hardwarefabrikanten zijn elkaar constant aan het verslaan geweest om zo veel mogelijk transistors in mindere en kleinere ruimten te proppen. In 2014 vierde Intel de release van processoren met transistoren die ongeveer 6.000 keer kleiner zijn dan de diameter van een enkele haarlok. Dit is echter verre van de droom om transistoren op moleculair niveau te fabriceren. Op 17 juni 2016 heeft een groep onderzoekers aan de Universiteit van Peking in Beijing mogelijk bewezen dat deze droom dichter bij de realiteit staat dan we denken. Naarmate de race voor kleinere hardware zich voortzet, kunnen we net zo goed nadenken over wat dit voor ons kan betekenen en over welke uitdagingen fabrikanten kunnen hebben om de technologie van moleculen te realiseren.

Het probleem met het woord "Molecule"

Wanneer we aan een molecuul denken, denken we aan iets buitengewoons kleins - iets dat zo klein is dat het alleen kan worden waargenomen met zeer gespecialiseerde apparatuur. Het probleem is dat moleculen, in tegenstelling tot atomen, niet altijd in zulke microscopische dimensies voorkomen. Wanneer iemand me vertelt dat ze een transistor hebben gemaakt die uit een enkele molecule bestaat, is de eerste vraag die bij me opkomt, "Welk molecuul hebben we het over?"

Een moleculaire keten kan enorm zijn. Polymeren zoals het DNA in elke cel van je lichaam kunnen overal tussen de 1, 5 en 3 meter meten als ze volledig uitgestrekt zijn, en dat is slechts één molecuul. Meestal gebruiken we dingen als watermoleculen als een referentiepunt voor de maat, met een diameter van ongeveer 0, 275 nanometer als je nieuwsgierig bent. Geen van deze kan correct een juiste weergave zijn van de grootte van de transistors die de onderzoekers van de Universiteit van Peking hebben ontwikkeld.

Wat we wel weten is dat deze schakelaars zijn opgebouwd uit grafeen (een moleculaire ordening van koolstof met een dikte van één atoom) met elektroden met daartussen methyleengroepen. Geen media-outlet heeft ons een juiste idee gegeven van hoe groot zo'n transistor zou zijn, maar het kan een veilige gok zijn dat we kijken naar iets dichter bij een watermolecuul (gezien hoe klein grafeen en methyleengroepen zijn) dan een DNA molecuul.

Grootte is niet alles

Hoewel het belangrijk is om ervoor te zorgen dat je zoveel mogelijk punch inpakt binnen een kleine hoeveelheid ruimte, is het verminderen van de grootte van transistors niet het enige dat je kunt doen. Naast het maken van een effectieve moleculaire switch die een significant hogere levensduur (een jaar) heeft dan zijn voorgangers (enkele uren), hebben de onderzoekers in Peking U. ook een nieuwe doorbraak bereikt: de switch kan ook communiceren met behulp van fotonen in plaats van elektronen te verplaatsen. Fotonen reizen veel sneller dan elektromagnetische golven (tot 100 keer sneller), wat betekent dat we alle transistors in kleine ruimtes kunnen proppen en elk van die kleine buggers een snelheidsboost kunnen geven zoals Gordon Moore alleen zou kunnen hebben ooit gedroomd van.

Waarom deze kleine hardware uitdagend is

Zoals met alles waarmee we te maken hebben op atomair of moleculair niveau, kan het heel onstabiel worden. Elektromagnetische velden hebben bijvoorbeeld een sterke neiging om de atomaire structuren van metalen en andere geleidende materialen enigszins te laten verschuiven. Zo'n verschuiving kan als een signaal worden geïnterpreteerd. Microscopische "korrels" van materiaal op atomair niveau kunnen er ook voor zorgen dat transistors niet goed werken. De onderzoekers van Peking U. zijn er tot nu toe in geslaagd een switch te maken die meer dan honderd keer kan worden geactiveerd en gedeactiveerd, met een levensduur van een jaar. Hoewel dit een prachtige prestatie is zoals het er nu uitziet, betwijfel ik of veel mensen graag een computer hebben met de levensduur van een kankergevoelige hamster. De eerste echte uitdaging ligt in het isoleren van de micro-elektronische omgeving op zo'n manier dat deze meer dan een decennium kan draaien.

Zelfs als een levensvatbare, zeer duurzame moleculaire switch uiteindelijk door iemand wordt gebouwd, biedt het in een gestroomlijnd productieproces een geheel nieuwe uitdaging op zichzelf. In de nabije toekomst zijn geïntegreerde schakelingen de go-to-methode voor interne hardwarecommunicatie. Het is bijna onmogelijk om dit omvangrijke systeem te laten werken met moleculaire schakelaars. Om nog erger te maken, vereist het meten van dingen binnen de kleine openingen tussen moleculen (die je moet doen om de opgeslagen gegevens te lezen) zeer gespecialiseerde omgevingen die veel energie nodig hebben om te onderhouden.

De afhaalmaaltijden

Het streven om schakelaars ter grootte van een aantal van de kleinste moleculen te hebben die de mens kan manipuleren, is zeer verleidelijk en houdt veel belofte in. Dat wil zeggen, als fabrikanten hindernissen kunnen overwinnen, zoals het vereisen van cryogene temperaturen om gegevens te lezen, het wegwerken van de kloof in connectiviteit tussen moleculen en holbewoner-niveau elektromagnetische circuits, en op de een of andere manier de kleine levensduur van deze technologie te verzachten wanneer ze op de proef worden gesteld in de echte wereld. Als ze door deze hoepels kunnen springen, dan ja, zal moleculaire switchtechnologie zeker een revolutie creëren die de huidige geïntegreerde circuits en op silicium gebaseerde chips volledig overbodig maakt.

Wanneer denk je dat we al deze uitdagingen zullen kunnen overwinnen? Vertel ons in een reactie!