Die Nanotechnologie-Revolution ist da – wir haben es nur noch nicht bemerkt

Sie können dem Mikrochip danken. Ingenieure und Wissenschaftler verwenden dieselbe Technologie, die über Jahrzehnte perfektioniert wurde, um Mikrochips herzustellen, um eine Vielzahl anderer Miniaturwunder zu erschaffen, von submikroskopischen Maschinen bis hin zu neuartigen Linsen. Diese Gizmos im Nanomaßstab haben sich so in unser Leben und die Geräte in unseren Taschen integriert, dass wir anscheinend die Tatsache übersehen haben, dass sie reale Beispiele für die Nanotechnologie-Revolution sind, die uns in der letzten Hälfte versprochen wurde. Jahrhundert.

Zu den Alltagsgegenständen, die von der Nanotechnologie profitiert haben, gehören Airbags, Mobiltelefone, Radar, Tintenstrahldrucker, Heimprojektoren sowie 5G und andere schnelle drahtlose Technologien. Gleich um die Ecke könnte die Nanotechnologie ultrakleine Kameras sowie eine schwindelerregende Reihe anderer Arten von Sensoren ermöglichen, die in der Lage sind, alles zu erkennen, von Luftverschmutzung und Glatteis bis hin zu Hacking-Versuchen und Hautkrebs.

Ein Teil dieser Technologie steht sogar im Mittelpunkt der aktuellen Kontroverse darüber, ob Amerikas 5G-Netze das Fliegen weniger sicher machen könnten oder nicht.

Es ist alles noch weit entfernt von den ausgefalleneren Vorhersagen der Vergangenheit über die Zukunft der Nanotechnologie. Wir haben keine Roboter in Molekülgröße, die unseren Blutkreislauf patrouillieren und Schäden reparieren, oder mikroskopisch kleine Fabriken, die in der Lage sind, endlose Kopien von sich selbst zu produzieren, bis der gesamte Planet auf das reduziert ist, was Nanotech-Pionier Eric Drexler in den 1980er Jahren befürchtete, nichts als ein „Grauer Schleim.“

In fernerer Zukunft könnte diese Technologie das Sehen ermöglichen, wie der Physiker Richard Feynman 1959 in seinem berühmten Vortrag „There’s Plenty of Room at the Bottom“ darlegte, in dem er Hypothesen über einen Weg aufstellte, dreidimensionale Strukturen Atom für Atom aufzubauen Zeit. Selbst nur einen Bruchteil dessen zu erreichen, was er vorgeschlagen hat, würde verlockende Möglichkeiten eröffnen, von Sensoren, die Viren in der Luft erkennen können, bevor wir sie einatmen, bis hin zu Quantencomputern in unserer Tasche.

In der Gegenwart bedeutet die Entwicklung realer Nanomaschinen, aus den Hunderten von Milliarden Dollar Kapital zu schlagen, die seit ihrer Einführung, ebenfalls im Jahr 1959, in die Perfektionierung der Herstellung von Mikrochips investiert wurden Entwicklung von phantastisch komplizierten und teuren Geräten. Durch die Verwendung der gleichen Arten von Maschinen, Techniken und „Fabs“ – wie Mikrochipfabriken genannt werden – können Hersteller von Nanomaschinen den stetigen Fortschritt des Mooreschen Gesetzes nutzen, um ihre Geräte immer kleiner zu machen.

ASML, einer der weltweit führenden Hersteller von Geräten zur Herstellung von Mikrochips, forscht und baut seine Geräte mit Blick auf seine Hauptkunden – die Intels, Samsungs und TSMCs der Welt“, sagt CEO Peter Wennink. Aber es hat auch immer eine Abteilung gegeben, die mit Kunden zusammenarbeitet, die andere Dinge als herkömmliche Mikrochips herstellen wollen, und ihre Technologie so entwickelt, dass sie an ihre Bedürfnisse angepasst werden kann, fügt er hinzu.

Dazu gehören mikroelektromechanische Systeme – kurz MEMS –, die ein klassisches Beispiel für winzige Maschinen darstellen, die mit Geräten zur Chipherstellung hergestellt werden. MEMS sind im Laufe der Jahrzehnte radikal kleiner geworden.

Nimm dein Smartphone. Um die verschiedenen Funkfrequenzen zu senden und zu empfangen, die für die Kommunikation mit Mobilfunkmasten oder die Verbindung zu Ihrem WLAN oder Ihren drahtlosen Ohrhörern erforderlich sind, muss es alle Streustörungen herausfiltern, die diese Frequenzbänder mehr denn je beeinträchtigen.

Es verwendet also winzige Funkfilter, ohne die keines unserer drahtlosen Geräte funktionieren könnte. Wo Mikrochips und Funkantennen statische, reine Festkörpergeräte sind, bewegen sich die Funkfilter, von denen sie abhängig sind, tatsächlich, sagt George Holmes, CEO von Resonant, einem Unternehmen, das die Filter herstellt. Sie schwingen mit der gleichen Frequenz wie das zu empfangende oder zu sendende Signal, oder manchmal mit der herauszufilternden Frequenz, wie eine Ansammlung winziger Stimmgabeln.

Das bedeutet, dass, wenn Ihr Telefon auf Ihrem Schreibtisch sitzt und Musik auf Ihre Ohrhörer streamt, Dutzende kleiner Elemente im Inneren sind, die meisten wie winzige Kämme geformt sind und Milliarden Mal pro Sekunde vibrieren. Sie funktionieren genau, weil sie winzig sind. Nur etwas so Kleines – das in einer Größenordnung existiert, in der die Bindungen zwischen Atomen im Verhältnis zur Größe eines Objekts viel stärker sind – könnte bei diesen Frequenzen schwingen und sich nicht selbst in Stücke schütteln.

Damit das Bodenradar in Flugzeugen richtig funktioniert, muss es unter anderem Störungen aus Amerikas schnell wachsenden 5G-Mobilfunknetzen herausfiltern. Das Problem, sagt Herr Holmes, ist, dass Radargeräte in älteren Flugzeugen entworfen und gebaut wurden, bevor irgendjemand wusste, dass 5G-Netze eine Sache sein würden. Die Behebung dieses Problems könnte teuer werden, da es bedeuten könnte, einige dieser alten Radargeräte zu ersetzen oder zu aktualisieren. Die Angst der Fluggesellschaften und der FAA besteht im Wesentlichen darin, dass ein Flugzeug verloren gehen könnte, wenn nicht genügend mikroskopisch kleine Kämme vorhanden sind, die mit einigen hundert Millionen oder Milliarden Mal pro Sekunde vibrieren, um einen nahe gelegenen Mobilfunkmast auszublenden.

Unsere Telefone enthalten auch viele andere MEMS. Das System, mit dem sie (und Smartwatches und andere Gesundheitstracker) ihre Orientierung sowie die Stärke und Richtung ihrer Beschleunigung kennen, ist heute nicht größer als ein Reiskorn. Als es zum ersten Mal erfunden und in das Apollo-Raumschiff eingebaut wurde, war es größer als ein Basketball. Ähnliche und ebenso winzige Sensoren teilen Airbags mit, wann sie ausgelöst werden sollen. Das System schnell zuckender Spiegel in der Größe roter Blutkörperchen, die Heimprojektoren ermöglichen, ist ebenfalls MEMS; dito die Düsen auf Tintenstrahldruckern.

Ein weiteres Beispiel für moderne Nanomaschinen manipuliert Licht statt Elektrizität. Im Labor wurde gezeigt, dass eine neue Art von Linse, die als „Metalens“ bekannt ist, Licht auf eine Weise biegen und formen kann, für die früher ein ganzer Stapel herkömmlicher Linsen erforderlich war, sagt Juejun Hu, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften am MIT. Der Vorteil von Metalenses ist, dass sie dünn und fast flach sind – zumindest für das bloße Auge.

Unter dem Elektronenmikroskop sieht die Oberfläche eines Metalens aus wie ein Plüschteppich. In dieser Größenordnung ist die Metalens eindeutig mit winzigen Säulen bedeckt – jede tausendstel so breit wie ein menschliches Haar – die aus ihrer Oberfläche herausragen. Diese Textur ermöglicht es einer Metalllinse, Licht auf eine Weise zu beugen, die der Art und Weise entspricht, wie herkömmliche Linsen dies tun. (Die Art und Weise, wie diese kleinen Silizium-„Fasern“ funktionieren, ist so neuartig, dass sie Physiker zwangen, ihr Verständnis der Wechselwirkung von Licht und Materie zu überdenken.)

Eine Handvoll Startups überführt die Metalens-Technologie in kommerzielle Anwendungen. Unter ihnen ist Metalenz, das gerade einen Vertrag mit dem Halbleiterhersteller STMicroelectronics zur Herstellung von 3-D-Sensoren für Smartphones bekannt gegeben hat. Diese Anwendung von Metalenses könnte es einer größeren Vielfalt von Telefonherstellern ermöglichen, die Art von 3-D-Erkennung zu erreichen, die Apple ermöglicht‘S

Face-ID-Technologie.

Das Entsperren Ihres Telefons mit Ihrem Gesicht ist nur der Anfang, sagt Robert Devlin, CEO von Metalenz. Metallsinne haben auch Fähigkeiten, die mit herkömmlichen Linsen schwer zu reproduzieren sind. Da sie zum Beispiel die Erkennung von polarisiertem Licht erleichtern, können sie Dinge „sehen“, die herkömmliche Linsen nicht sehen können. Dazu könnte die Erkennung von Lichtverschmutzung gehören, die Kameras von Automobilsicherheits- und Selbstfahrsystemen in die Lage versetzen, Glatteis zu erkennen, und unseren Telefonkameras die Fähigkeit zu geben, Hautkrebs zu erkennen, sagt Herr Devlin.

Um Nanomaschinen weiter zu verkleinern und die theoretische Grenze der Winzigkeit zu erreichen – den Punkt, an dem Menschen einzelne Atome manipulieren – werden Technologien erforderlich sein, die sich radikal von denen unterscheiden, die wir derzeit zur Herstellung selbst der fortschrittlichsten Mikrochips verwenden, sagt Dr. Andrei Fedorov, Professor am Georgia Institute of Technology. Sein Team hat unter anderem Forschungsergebnisse veröffentlicht, in denen sie Elektronenstrahlen verwenden, um Muster in Schichten aus Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien zu ätzen – oder um Strukturen aus Kohlenstoffatomen darauf aufzubauen.

Graphen und seine Verwandten sind bereits Gegenstand intensiver Forschung als Alternative zu Silizium in den Mikrochips der Zukunft. Aber Dr. Fedorov sagt, dass die Zukunft den Bau dreidimensionaler Strukturen auf zweidimensionalen Graphenschichten beinhalten könnte. Dies mit atomarer Präzision zu tun, könnte unter anderem ermöglichen, die Art von Strukturen zu schaffen, die für die nächste Generation ultraleistungsfähiger Quantencomputer erforderlich sind, die Regierungen und Technologieunternehmen gleichermaßen zu bauen versuchen.

Der größte Teil der Forschung von Dr. Fedorov wird von der Semiconductor Research Corp. unterstützt, einer gemeinnützigen Organisation, die von fast allen großen Unternehmen für fortschrittliche Chipherstellung und -entwicklung auf der Welt gesponsert wird und Anfang der 1980er Jahre gegründet wurde, um Grundlagenforschung zu betreiben, die eines Tages in der Elektronikfertigung eingesetzt werden könnte. Es ist also nicht unwahrscheinlich, dass die Halbleiterindustrie bei ihrer Erforschung von Technologien, die uns über die Grenzen der heutigen Mikrochips hinausführen könnten, eines Tages Techniken anwenden könnte, die von seinem Team oder den vielen anderen, die an ähnlichen Technologien arbeiten, entwickelt wurden.

Das Endziel ist die Fähigkeit, einen Elektronenstrahl zu verwenden, um die Atome auf einer Oberfläche schnell zu entfernen, hinzuzufügen oder zu modifizieren. Das Ergebnis ist ein System, das dem 3D-Druck ähnelt – auf atomarer Ebene.

Wenn Dr. Fedorov Vorträge über seine Forschung hält, erzählt er dem Publikum, was Richard Feynman 1959 vorschlug. „Ich sage: ‚Das ist die Vision’, und dann sage ich: ‚Sechzig Jahre später haben wir Feynmans Vision verwirklicht. Es liegt jetzt in unseren Händen.’“

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