Nanotechnology en ICT: alles wordt kleiner

De resultaten van nanotechnologie beginnen langzaam maar zeker door te dringen in de ict. Over een paar jaar kunnen alle harde schijven naar de vuilnisbelt en draait een supercomputer op de afvalwarmte van het menselijk lichaam.

Het Amerikaanse blad Scientific American stelt dat de ontwikkeling van de nanotechnologie zich nog in een formatieve fase bevindt. Dat is de zandbakfase die de computerindustrie doormaakte in de jaren zestig van de vorige eeuw en de biotechnologie in de jaren tachtig van dezelfde eeuw. In de nanotechnologie wordt materie gemanipuleerd op het niveau van atomen en moleculen en wordt gerekend met nanometers (een nanometer is het miljoenste deel van een millimeter, of tien waterstofatomen op een rijtje). Gezien de forse investeringen zal het echter niet lang duren voor de nanotechnologie volwassen zal zijn. Zo voorspelt Scientific American. Die volwassenwording zal verlopen in vier elkaar overlappende fasen.

Vier fasen

In de eerste fase (begonnen in 2000) richt het onderzoek zich op de ontwikkeling van passieve nanostructuren, materialen met een vaste structuur die meestal een onderdeel zijn van een complexer product. Een voorbeeld daarvan is het gebruik van nanolagen van magnetische materialen op GMR (giant-magnetoresistance)-harde schijven. In de tweede fase (begonnen in 2005) verschuift het accent naar actieve nanostructuren waarvan de vorm, de geleiding en andere eigenschappen tijdens het gebruik veranderen. We kunnen hier bijvoorbeeld denken aan elektronische componenten als transistors en versterkers die bestaan uit een enkele, complexe molecuul.
Vanaf 2010 wordt het volgens Scientific American mogelijk complexe, 3-D systemen te ontwerpen van heterogene nanocomponenten. Te denken valt aan zelfassemblage ('self-assembly'), een proces waarbij nano-elektronische componenten gestuurd worden in de ontwikkeling van driedimensionale schakelingen. Korter gezegd: het gaat om schakelingen die zichzelf laten groeien.
In de vierde en laatste fase van de ontwikkeling (vanaf 2015) wordt het onderzoek gedomineerd door nanomanufacturing: de ontwikkeling van heterogene moleculaire nanosystemen waarbij iedere molecuul een andere functie vervult, waardoor het mogelijk is ultrakleine robots en supercomputers te bouwen.

Kleiner, sneller en complexer

Het zal ict'ers bekend in de oren klinken: nanotechnologie gaat vooral om kleiner, sneller, zuiniger en goedkoper. Een van de beloften van de nanotechnologie is dat de grenzen van kleiner en sneller op het gebied van microprocessors opnieuw kunnen worden verlegd, waardoor de wet van Moore geprolongeerd wordt. Geen wonder dat grote ict-bedrijven als HP, Intel en IBM zich in de frontlinies van de nanotechnologie hebben genesteld. Ze zijn niet alleen op zoek naar snellere microprocessors die via zelfassemblage (en zonder lithografie) goedkoop te maken zijn, maar ook naar snellere en dichtere dataopslag. Met nanotechnologie worden batterijen ontwikkeld die fors langer meegaan. Zestig procent van alle Li-ion batterijen wordt nu al gefabriceerd met nanovezels. Snellere chips en minder ruimte voor opslag en batterijen maken het gemakkelijker om meer functies in een handzaam apparaat te stoppen.
Onderzoekers van IBM baarden voor het eerst opzien toen ze in 1989 door het manipuleren van 35 xenon-atomen met behulp van een scanning-tunneling microscoop het IBM-logo wisten te spellen. In 2001 ontwikkelde IBM een magnetische (nano)coating van een laag ruthenium met een dikte van slechts drie atomen. Dankzij deze nanocoatings werden schijven mogelijk die meer dan 100 Gbits per vierkante inch kunnen opslaan. Coatings van deze ‘antiferromagnetically coupled media' zijn zo miraculeus dat de onderzoekers van IBM het materiaal beschrijven als ‘pixie dust', een magisch poeder uit Walt Disney-sprookjes.
Het onderzoek naar het gebruik van nanomaterialen raakte in 2007 in een stroomversnelling. In augustus 2007 maakte IBM bekend dat onderzoekers twee belangrijke doorbraken hadden gedaan. In de eerste plaats slaagden zij erin voor het eerst de magnetische anisotropie te meten van één enkele ijzeratoom. Het meten van deze eigenschap is belangrijk omdat hiermee de capaciteit van het atoom om informatie op te slaan is vastgelegd. Volgens IBM kunnen met een geheugen dat bestaat uit een cluster van gemanipuleerde atomen 30.000 speelfilms worden opgeslagen in een apparaatje dat zo groot is als een iPod (die kennelijk zelf bij IBM het luciferdoosje heeft vervangen als de maat van alle dingen).

Aan en uit

De tweede doorbraak bij IBM was de ontwikkeling van een moleculaire schakeling. De onderzoekers slaagden erin één naftalocyaninemolecuul ‘aan' en ‘uit' te schakelen door het manipuleren van twee waterstofatomen in de molecuul. Het belangrijkste feit daarbij was dat het schakelen mogelijk was zonder dat de externe vorm (moleculair frame) van de molecuul veranderde. Omdat de vorm niet verandert wordt het mogelijk om complexere structuren (zoals 'logic gates') te bouwen door meerdere moleculen op elkaar te stapelen. Het is immers onmogelijk een huis te bouwen met stenen die voortdurend van vorm veranderen.
De toepassing van bovengenoemde doorbraken kan nog wel tien jaar op zich laten wachten. Veel dichterbij is een methode die IBM heeft ontwikkeld om de koperdraden op chips te isoleren met behulp van nanotechnologie. De draden worden nu aangebracht op een isolerende basis die daarna gedeeltelijk wordt weggeëtst. Dit proces zal op afzienbare termijn (2009?) worden vervangen door een proces waarbij een mengsel van polymeren wordt gegoten over een wafer waarop de bedrading al is aangebracht. Wanneer de wafer wordt gebakken, ontstaan via het proces van zelfassemblage biljarden nano-gaatjes die vervolgens worden benut om een vacuüm (de best denkbare isolator) rondom de koperdraden te creëren. Dankzij het vacuüm is er minder capicitantie, het effect waarbij aanpalende draden energie van elkaar stelen. Volgens IBM levert de nieuwe technologie chips op die 35 procent sneller zijn en 15 procent minder energie gebruiken.

Nanobuisjes en nanodraden

Een belangrijk deel van het onderzoek in de nanotechnologie richt zich op de toepassingsmogelijkheden van nano(koolstof)buisjes, superdunne lagen grafiet die zijn opgerold als buisjes. De buisjes hebben een diameter van een miljardste deel van een meter en een variabele lengte. Ze lijken op een rol kippengaas waarbij ieder kruispunt in het gaas bestaat uit één enkele koolstofatoom. Deze nanobuisjes zijn supersterk, flexibel en de geleidende eigenschappen van de buisjes veranderen wanneer ze blootgesteld worden aan verschillende chemicaliën. Daardoor zijn ze onder andere zeer geschikt om gebruikt te worden als minuscule sensors.
In de ict wordt verlekkerd gekeken naar de potentie van nanobuisjes als halfgeleiders. Koolstofbuisjes kunnen namelijk stroom afwisselend geleiden als een metaal en als een halfgeleider. Chipscomponenten gemaakt van nanobuisjes zouden opnieuw microprocessors opleveren die 1000 keer zo klein en veel sneller zijn dan de huidige chips. Al in 1999 ontwikkelde een team in Delft onder leiding van Cees Dekker de eerste logische schakelingen van deze koolstofbuisjes. Nanobuisjes bieden ongekende mogelijkheden, maar het grote struikelblok is dat nog niemand erin geslaagd is deze buisjes massaal en met een constante kwaliteit te produceren.
Dan zijn er nog nanodraden. Onderzoekers van de University of Pennsylvania in Philadelphia gebruiken nanodraden van germanium-antimontelluride voor het opslaan van data. Deze dunne draden die zichzelf zonder lithografie onder bepaalde omstandigheden laten groeien (self-assembly) kunnen volgens de onderzoekers data duizenden malen sneller lezen en reproduceren dan flash-geheugen en micro-drives. Nullen veranderen in enen, en andersom, doordat het materiaal omschakelt van een amorfe naar een kristallijne structuur. Volgens Ritesh Agarwal van de University of Pennsylvania kunnen deze nanodraden data zeker 100.000 jaar lang bewaren.
Harde voorspellingen? Michael Kozicky, een onderzoeker verbonden aan de Arizona State University zegt dat alle harde schijven dankzij nanotechnologie over tien jaar bij het vuilnis gezet kunnen worden. Kozicki experimenteert net als de onderzoekers van de University of Pennsylvania met de opslag van data in nanodraden. Hij brengt daartoe meerdere lagen nanodraden aan op basis van silicium. "Over een paar jaar kun je al je favoriete muziek, films, televisieprogramma's en foto's in een apparaatje bewaren dat zo groot is als een iPod", aldus Kozicky. Dat betekent ook dat laptops veel kleiner en duurzamer worden en dat ze (zonder magnetisch geheugen) geen tijd nodig hebben om te booten.

Laag verbruik

Een van de aantrekkelijke kwaliteiten van een nanomachine is het lage energieverbruik. Het stroomverbruik van een nanomachine ligt op een niveau dat gemeten wordt in nanowatts of microwatts. Volgens Zhong Lin Wang, directeur van het Center for Nanostructure Characterization van Georgia Tech, opent dit de weg naar het gebruik van minuscule nanogenerators die de afvalenergie van het menselijk lichaam of de omgeving gebruiken.
Er zijn in de afgelopen tien jaar microgenerators ontwikkeld die microwatts leveren voor het opereren van Mems (micro-electro mechanical systems). Dit zijn op silicium gebaseerde ‘machines' waarvan de dimensies worden gemeten in micrometers en millimeters. De microgenerators voor deze Mems maken gebruik van het piëzo-elektrische effect waarbij een verandering in de vorm van een materiaal (bijvoorbeeld door een fibratie) wordt omgezet in een stroompje.

Interne frictie

Bovengenoemde piëzo-elektrische microgenerators functioneren dankzij de aanwezigheid van de zwaartekracht. Ze zijn niet geschikt voor nanomachines, omdat de zwaartekracht op het niveau van atomen en moleculen nauwelijks nog een factor van betekenis is. Zhon Ling Wang is er nu in geslaagd nanowatts te oogsten uit de interne frictie (trek- en drukbelasting) die ontstaat wanneer grote hoeveelheden nanodraden van zinkoxide in beweging worden gebracht. De mechanische energie die de beweging veroorzaakt kan bijvoorbeeld komen van het kloppen van de pols of van geluidstrillingen in de lucht. De eerste nanogenerator van het team van Georgia Tech heeft een output van 10 millivolts en 800 nano-ampère.