Das Rennen geht weiter, seit die ersten Silizium-Computerchips erschienen sind. Hardware-Hersteller haben sich ständig gegenseitig überschwemmt, um so viele Transistoren wie möglich in kleinere und kleinere Räume zu stopfen. Im Jahr 2014 feierte Intel die Freigabe von Prozessoren mit Transistoren etwa 6.000 mal kleiner als der Durchmesser einer einzelnen Haarsträhne. Dies ist jedoch weit entfernt von dem Traum, die Herstellung von Transistoren auf molekularer Ebene zu erreichen. Am 17. Juni 2016 hat eine Gruppe von Forschern der Pekinger Universität in Peking möglicherweise bewiesen, dass dieser Traum näher an der Realität liegt als wir denken. Da das Rennen um kleinere Hardware weitergeht, können wir uns auch auf das einlassen, was dies für uns bedeuten könnte und welche Herausforderungen sich den Herstellern stellen könnten, wenn es darum geht, molekülgroße Technologie Wirklichkeit werden zu lassen.

Das Problem mit dem Wort "Molekül"

Wenn wir an ein Molekül denken, denken wir an etwas außerordentlich kleines - etwas so kleines, das man nur mit hochspezialisierter Ausrüstung beobachten kann. Das Problem ist, dass Moleküle im Gegensatz zu Atomen nicht immer in solchen mikroskopischen Dimensionen vorkommen. Wenn mir jemand sagt, dass er einen Transistor gemacht hat, der aus einem einzigen Molekül besteht, ist die erste Frage, die ihm in den Sinn kommt: "Über was für ein Molekül reden wir?"

Eine Molekülkette kann enorm sein. Polymere wie die DNA in jeder Zelle Ihres Körpers können zwischen 1, 5 und 3 Metern messen, wenn sie vollständig ausgestreckt sind, und das ist nur ein Molekül. Wir verwenden normalerweise Dinge wie Wassermoleküle als Bezugspunkt für die Größe und messen bei etwa 0, 275 Nanometer Durchmesser, wenn Sie neugierig sind. Keiner von beiden kann die Größe der Transistoren, die die Forscher der Peking-Universität entwickelt haben, richtig wiedergeben.

Was wir wissen, ist, dass diese Schalter aus Graphen (einer molekularen Anordnung von Kohlenstoff, die ein Atom dick ist) Elektroden mit Methylengruppen zwischen ihnen gebaut werden. Kein Medienkanal hat uns einen richtigen Hinweis darauf gegeben, wie groß solch ein Transistor wäre, aber es kann eine sichere Wette sein, dass wir etwas näher an einem Wassermolekül betrachten (wenn man bedenkt, wie klein Graphen und Methylengruppen sind) als eine DNA Molekül.

Größe ist nicht alles

Während es wichtig ist, sicherzustellen, dass Sie so viel wie möglich in einem kleinen Raum platzieren, ist es nicht die einzige Sache, die Sie tun können. Neben der Herstellung eines effektiven molekularen Schalters, der eine deutlich höhere Lebensdauer (ein Jahr) als seine Vorgänger (einige Stunden) hat, haben die Forscher von Peking U. einen weiteren Durchbruch erzielt: Der Schalter kann auch mit Photonen statt mit beweglichen Elektronen kommunizieren. Photonen reisen viel schneller als elektromagnetische Wellen (bis zu 100 Mal schneller), was bedeutet, dass wir in der Lage wären, mehr Transistoren in kleine Räume zu stopfen und jedem dieser winzigen Schwachköpfe einen Geschwindigkeitsschub verleihen, wie ihn Gordon Moore nur haben kann jemals davon geträumt.

Warum diese kleine Hardware herausfordernd ist

Wie bei allem, was wir auf atomarer oder molekularer Ebene tun, können die Dinge sehr instabil werden. Zum Beispiel haben elektromagnetische Felder eine starke Tendenz, die atomaren Strukturen von Metallen und anderen leitfähigen Materialien dazu zu bringen, sich geringfügig zu verschieben. Eine solche Verschiebung kann als Signal interpretiert werden. Mikroskopische "Körnchen" aus Material auf atomarer Ebene könnten auch dazu führen, dass Transistoren nicht richtig funktionieren. Den Forschern von Peking U. ist es bisher gelungen, einen Schalter zu schaffen, der mehr als hundert Mal aktiviert und deaktiviert werden kann, mit einer Dauer von einem Jahr. Während dies eine wunderbare Leistung ist, bezweifle ich, dass viele Menschen begeistert sein würden, einen Computer mit der Lebensdauer eines krebserregenden Hamsters zu haben. Die erste echte Herausforderung besteht darin, die mikroelektronische Umgebung so zu isolieren, dass sie mehr als ein Jahrzehnt lang funktionieren kann.

Selbst wenn ein praktikabler, hochgradig haltbarer molekularer Schalter schließlich von jemandem gebaut wird, stellt dies eine ganz neue Herausforderung für sich dar. In absehbarer Zukunft sind integrierte Schaltungen die erste Wahl für die interne Hardware-Kommunikation. Dieses sperrige System mit molekularen Schaltern zu betreiben, ist nahezu unmöglich. Um Verletzungen noch schlimmer zu machen, erfordert das Messen von Dingen innerhalb der winzigen Lücken zwischen Molekülen (die Sie tun müssen, um die darin gespeicherten Daten zu lesen) hochspezialisierte Umgebungen, die viel Energie zur Wartung benötigen.

Das wegnehmen

Das Bemühen, Schalter zu haben, die die Größe einiger der kleinsten Moleküle haben, die die Menschheit manipulieren kann, ist sehr verlockend und verspricht viel. Das heißt, wenn die Hersteller Hürden überwinden können, indem sie beispielsweise kryogene Temperaturen benötigen, um Daten zu lesen, die Lücke in der Verbindung zwischen Molekülen und elektromagnetischen Kreisen auf Höhlenmenschen loswerden und die winzige Lebensdauer dieser Technologie mildern, wenn sie im Test getestet wird echte Welt. Wenn sie durch diese Reifen springen können, dann wird die molekulare Schaltertechnologie sicherlich eine Revolution schaffen, die bestehende integrierte Schaltungen und siliziumbasierte Chips völlig überflüssig machen wird.

Wann glauben Sie, dass wir alle diese Herausforderungen bewältigen können? Erzähle uns in einem Kommentar!