Calcolo Molecolare

Per Mark Reed, il futuro dell'elettronica molecolare è appena arrivato. Reed, a capo del dipartimento di ingegneria elettrica della Yale University, si autodefinisce addetto ai dispositivi e si vanta di avere una spiccata inclinazione pratica. Chiedigli della possibilità che un giorno utilizzi molecole per sostituire il silicio in computer che sono miliardi di volte più veloci dei PC di oggi o che si adattano alla testa di uno spillo e fa una smorfia. Non so come farlo. Non credo che nessuno lo faccia, dice sprezzante.

Ma ciò non attenua l'eccitazione che sta provando Reed, uno dei principali ricercatori nel campo dell'elettronica molecolare. Usando molecole sintetizzate dal chimico della Rice University James Tour, Reed ha fabbricato memorie elettroniche e un semplice elemento logico costituito da molecole che funzionano come minuscoli interruttori individuali. I dispositivi, che si basano su piccole molecole organiche adattate dai chimici della Rice per avere le giuste proprietà elettroniche, sono rozzi esperimenti di laboratorio. Ma funzionano: le molecole agiscono come componenti in dispositivi elettronici ultrapiccoli in grado di accendere e spegnere la corrente. Inoltre, questi primi prototipi hanno già mostrato suggerimenti sull'esecuzione di trucchi logici e di memoria non possibili con i semiconduttori al silicio.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2000

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La cosa più impressionante, dice Reed, è che i dispositivi molecolari sono sorprendentemente facili e potenzialmente economici da realizzare. È sufficiente immergere un wafer di silicio rivestito con elettrodi metallici in un becher riempito con le sostanze chimiche giuste e dare alle molecole alcuni minuti per formarsi sugli elettrodi. Se sei abbastanza intelligente con la chimica, è possibile persuadere le molecole ad orientarsi spontaneamente sugli elettrodi. Funziona magnificamente e funziona ogni volta, dice Reed.

Potrebbe funzionare ogni volta, ma c'è una considerevole controversia su cosa ammonteranno mai queste reazioni chimiche. Mentre i veri credenti immaginano un mondo in cui computer molecolari microscopici realizzati a basso costo eseguono calcoli notevoli, gli scettici pensano che il campo abbia perso di vista il mondo reale dei limiti dell'ingegneria. Nel frattempo, gli esperti di dispositivi come Reed pensano che il futuro, sotto forma di prototipi funzionanti che possono essere integrati con la tecnologia convenzionale del silicio, sia adesso.

Il vantaggio principale del calcolo molecolare è la possibilità di impacchettare molti più circuiti su un microchip di quanto il silicio sarà mai in grado di fare, e di farlo a buon mercato. I produttori di semiconduttori possono ora stipare circa 28 milioni di transistor su un chip riducendo le caratteristiche più piccole dei transistor fino a circa 180 nanometri (miliardesimi di metro). Utilizzando i metodi convenzionali di produzione di chip, tuttavia, più piccola si crea una caratteristica, più costoso e difficile diventa il processo. Molti esperti di semiconduttori dubitano che i metodi di fabbricazione commerciale possano rendere economicamente i transistor al silicio molto più piccoli di 100 nanometri. E anche se i produttori di chip riuscissero a trovare un modo ragionevole per inciderli su un chip, i componenti di silicio ultrapiccoli probabilmente non funzionerebbero: a transistor di dimensioni di circa 50 nanometri, gli elettroni iniziano a obbedire a strane leggi quantistiche, vagando dove si trovano non dovrebbe essere.

Le molecole, d'altra parte, hanno dimensioni di pochi nanometri, il che rende possibili chip contenenti miliardi, persino trilioni, di interruttori e componenti. Negli esperimenti iniziali, gli scienziati hanno inserito un gran numero di molecole tra elettrodi metallici. I dispositivi funzionano, tuttavia, perché ogni molecola funziona come un interruttore. Se fosse possibile collegare un piccolo numero di molecole insieme come singoli componenti elettronici per formare circuiti, il risultato cambierebbe tutto nella progettazione dei computer. Le memorie molecolari potrebbero avere un milione di volte la densità di archiviazione dei migliori chip semiconduttori di oggi, rendendo possibile memorizzare le esperienze di una vita in un gadget delle dimensioni di un orologio da polso. I supercomputer potrebbero essere abbastanza piccoli ed economici da essere incorporati nei vestiti. Le preoccupazioni che la tecnologia informatica possa presto sbattere contro un muro scomparirebbero.

Quelle applicazioni sono lontane decenni, se mai si materializzeranno. Tuttavia, sostiene Reed, alcuni usi dell'elettronica molecolare potrebbero presto essere fattibili. Dispositivi molecolari ultrapiccoli ed economici potrebbero stare fianco a fianco con il silicio, riducendo il numero di transistor e la potenza richiesta dal circuito. Questo è qualcosa che potresti usare oggi, qualcosa che potresti vendere a Radio Shack, dice Reed. Questo ha la possibilità di cambiare totalmente l'economia del silicio.

Per renderlo realtà, Reed, Tour e chimici della Pennsylvania State University hanno co-fondato una startup chiamata Molecular Electronics. Il gruppo rifiuta di dire quali saranno i prodotti iniziali, ma Tour afferma che avere un sistema funzionante in un paio d'anni non sembra irrealistico.

Fino a poco tempo fa, quella previsione sarebbe sembrata inverosimile. Ma nell'ultimo anno, il campo ha fatto un salto dalla teoria al regno della pratica. Come i loro concorrenti di Yale e Rice, una collaborazione della costa occidentale di chimici e scienziati informatici di Hewlett-Packard e dell'Università della California, Los Angeles, ha recentemente caratterizzato molecole in grado di agire come interruttori elettronici e memoria (vedi numero passato: Computing After Silicon , TR settembre/ottobre 1999). R. Stanley Williams, che dirige lo sforzo presso HP, afferma che il suo team prevede di costruire un prototipo di un circuito logico che integri un piccolo numero di dispositivi molecolari su nanoscala entro 18 mesi. Abbiamo gli interruttori e i cavi, i componenti per creare dei veri nanocircuiti, dice Williams.

La ricetta

Almeno in teoria, assemblare un dispositivo elettronico molecolare è semplice. Nella versione della ricetta favorita dalla collaborazione HP/UCLA, gli scienziati prima realizzano un singolo monostrato delle giuste molecole organiche in un apparato chimico chiamato Langmuir trough; poi immergono un substrato di silicio coperto da uno schema di elettrodi metallici nel trogolo. Se la chimica è giusta, le molecole si legheranno agli elettrodi metallici, orientandosi ordinatamente. Una seconda serie di elettrodi viene poi depositata sulle molecole; il risultato è un monostrato di molecole organiche racchiuse tra elettrodi metallici.

La sfida è che la maggior parte delle molecole organiche non sono affatto conduttori elettrici, non importa se hanno le proprietà elettroniche che consentono loro di funzionare come un interruttore efficace. Ciò che è necessario per far funzionare elettronicamente il sistema sono molecole appositamente studiate che si accendono e si spengono ripetutamente in modo affidabile e rilevabile (le proprietà che hanno reso il silicio così efficace). Trovare molecole in grado di fare il trucco è dominio di maghi della chimica come Rice's Tour e James Heath e Fraser Stoddart dell'UCLA.

La loro magia ha iniziato a dare i suoi frutti lo scorso autunno. In primo luogo, il gruppo HP/UCLA ha pubblicato un documento che descrive ciò che è in effetti un fusibile molecolare: un interruttore una tantum basato su una complessa molecola organica a forma di manubrio chiamata rotaxane; gli scienziati hanno successivamente realizzato interruttori reversibili. Hanno anche mostrato come il dispositivo potrebbe eseguire semplici funzioni logiche e di memoria. In pochi mesi la collaborazione Yale/Rice ha rivaleggiato con quell'impresa descrivendo la sintesi di altre molecole organiche che agiscono come dispositivi elettronici.

Nonostante le differenze nei particolari molecolari, i due gruppi di ricerca stanno sfruttando gli stessi effetti quantistici che potrebbero eventualmente porre limiti fondamentali ai semiconduttori di silicio. Le molecole che separano i due elettrodi normalmente bloccherebbero il flusso di corrente. Nel nanomondo delle singole molecole, invece, gli elettroni possono scavalcare una barriera che, secondo la fisica classica, dovrebbe bloccarne il percorso. Manipolando una tensione posta attraverso gli elettrodi, gli scienziati possono regolare la velocità di tunneling e quindi attivare o disattivare la corrente.

Reed ha già iniziato a pensare a come utilizzare i dispositivi molecolari in combinazione con il silicio convenzionale. Un tipo di porta logica quantistica che Reed ha recentemente costruito, ad esempio, svolgerebbe la stessa funzione specializzata di sette transistor al silicio molto più grandi, riducendo significativamente le dimensioni e il consumo di energia di un circuito integrato. E mentre la fabbricazione di transistor convenzionali richiede un'elaborazione complessa e costosa, il dispositivo molecolare può essere incollato al circuito, afferma Reed.

Le molecole potrebbero anche fornire una memoria elettronica ultra-economica con alcune proprietà interessanti. Il tipo più comune di memoria a semiconduttore è chiamato DRAM, per la memoria dinamica ad accesso casuale. (Questa è la memoria a breve termine su cui si basa il tuo computer quando esegue un programma.) Il problema con la DRAM è che le informazioni memorizzate evaporano quando si spegne l'alimentazione: è volatile. Questo è il motivo per cui devi avviare Windows ogni volta che accendi il computer, spostando il programma dal tuo disco rigido ai chip DRAM. Ma un dispositivo molecolare sperimentale realizzato da Reed lo scorso autunno conserva i dati per più di 10 minuti dopo che l'alimentazione è stata interrotta. Supponiamo di poterlo ottenere fino a diversi anni, dice Reed. Sarebbe essenzialmente una memoria non volatile. Immagina quante volte non dovresti avviare Windows.

Sebbene queste prime applicazioni siano molto lontane dai computer molecolari da miliardi di transistor che gli appassionati immaginano, potrebbero mostrare il valore delle molecole organiche come materiale elettronico. Sono il naso di un cammello sotto la tenda, afferma Reed, aggiungendo che questi dispositivi ibridi sono già molto realistici. Sono il primo passo verso circuiti [molecolari] più complessi.

È probabile, tuttavia, che sia una lunga strada. Anche un semplice computer fatto di componenti molecolari è lontano almeno un decennio, e solo se diventiamo veramente intelligenti, riconosce Williams. Ma il chimico HP dice che il suo gruppo è già in viaggio. Nei loro prototipi iniziali, i ricercatori della California hanno fabbricato i fili metallici superiore e inferiore come griglie perpendicolari, creando una struttura a barra trasversale con le molecole che si trovano alle giunzioni dei fili. Finora, il gruppo ha realizzato dispositivi con contatti metallici di migliaia di nanometri di diametro; ci sono milioni di molecole ad ogni giunzione. Ma Williams dice che entro la fine dell'anno il gruppo prevede di avere fili di pochi nanometri di diametro. Non aveva senso fare tutto subito. Quindi abbiamo usato fili molto più grandi. Ora stiamo facendo gli esperimenti per passare a fili più piccoli e fare le misurazioni.

I candidati quasi perfetti per fili così piccoli sono strutture note come nanotubi di carbonio. Questi tubi di forma regolare, di soli pochi nanometri di diametro, potrebbero essere ottimi condotti per gli elettroni che attraversano un circuito molecolare. Il problema è che i nanotubi tendono a formarsi come un groviglio ingarbugliato, lontano dagli array ordinati necessari per fabbricare circuiti complessi. Costruire qualsiasi struttura con i nanotubi è ormai una forma d'arte, afferma il fisico Paul McEuen dell'Università della California, Berkeley. Fondamentalmente li buttiamo a terra e cerchiamo [la struttura] che vogliamo.

Il gruppo HP/UCLA è sicuro che risolveranno il problema del cablaggio. Eventualmente verranno utilizzati nanotubi. Le loro proprietà elettroniche e fisiche sono così desiderabili, dice Williams. Per ora, dice, il gruppo sta lavorando anche sui nanofili di silicio. E, promette Williams, con o senza nanotubi di carbonio, entro la fine dell'estate gli scienziati ridurranno le giunzioni dei dispositivi a meno di 10 nanometri. Gli obiettivi a breve termine sono una memoria a 16 bit di 100 nanometri di lato, e subito dopo un dispositivo logico di dimensioni simili. Questi circuiti rudimentali potrebbero non minacciare il regno del silicio, ma potrebbero essere una pietra miliare nell'aiutare a dimostrare che l'elettronica molecolare è fattibile.

Ma poi arriva la parte davvero scoraggiante: trasformare questi semplici dispositivi in ​​circuiti logici complessi e integrarli in un vero computer. Una delle penalità che si paga per produrre microelettronica basata sulla chimica è che, a differenza dei chip di silicio realizzati in impianti di fabbricazione ad alta tecnologia, i dispositivi molecolari sintetizzati in vasche di sostanze chimiche saranno intrinsecamente pieni di difetti. Alla scala delle singole molecole, la chimica è soggetta a fluttuazioni statistiche: a volte funziona ea volte no. Ma è qui che gli scienziati HP/UCLA affermano di aver fatto la loro svolta più importante.

La loro risposta: un software che supera i difetti. Diversi anni fa, gli scienziati informatici di HP hanno costruito un supercomputer chiamato Teramac, utilizzando chip di silicio difettosi così difettosi da essere considerati privi di valore. Gli scienziati HP hanno inserito questi chip scartati in un computer sviluppando un'architettura crossbar che consente di collegare qualsiasi input con qualsiasi output. Una volta che l'hardware è stato costruito, il computer è stato programmato per identificare e aggirare eventuali difetti. Il sistema ha funzionato e il suo enorme parallelismo ha fornito un archetipo che gli scienziati della California intendono utilizzare per il loro computer molecolare.

Un chimico che lavora al computer è una cosa bizzarra. Non puoi andare da un chimico e chiedere loro di costruire un computer, dice Heath, uno degli scienziati dell'UCLA che sta aiutando a sintetizzare i componenti necessari. Ma, dice, l'architettura Teramac ha fornito al gruppo HP/UCLA un obiettivo chiaramente definito. Il software lo trasformerà in una macchina, afferma Heath. Quel computer molecolare potrebbe essere molto lontano, ammette. Ma non c'è motivo per cui non funzionerà.

Il mondo in mezzo

Mentre gente come Heath è ottimista, la tecnologia ha la sua parte di dubbiosi. Il campo dell'elettronica molecolare è innamorato di se stesso, afferma Rick Lytel, uno scienziato informatico della Sun Microsystems. Nonostante il suo scetticismo, tuttavia, Lytel sta tenendo d'occhio il campo per Sun e sta sviluppando specifiche per testare e valutare prototipi di dispositivi molecolari. Crede che l'elettronica molecolare potrebbe eventualmente trovare usi come dispositivi di memoria. Ma Lytel dice che molti dei suoi colleghi sul campo si sono illusi pensando di essere solo a un passo dal mercato.

Persino i credenti nelle prospettive dell'elettronica molecolare non sono d'accordo sul ruolo che la tecnologia giocherà nel calcolo e nell'elettronica. Prendi Mark Ratner, un chimico della Northwestern University, generalmente considerato uno dei capostipiti del settore. Ratner dubita che le molecole possano mai competere direttamente con il silicio in compiti computazionali complessi. Vuoi usare le molecole per quello che sanno fare meglio e per compensare dove il silicio non è all'altezza, dice Ratner. In particolare, indica la loro capacità di riconoscere e rispondere ad altre molecole. Combinando queste funzioni con le proprietà elettroniche di nuova concezione, potresti creare minuscoli sensori e attuatori che rilevano e reagiscono in modo intelligente a indizi biologici e chimici. Potrebbe, afferma Ratner, rendere possibili biochip impiantabili che incorporano sensori e attuatori realizzati con l'elettronica molecolare che percepiscono i bisogni del corpo e rispondono scaricando una dose appropriata di farmaci.

Per questo pioniere dell'elettronica molecolare, il vero potenziale del campo potrebbe concretizzarsi nell'avvicinare il mondo della microelettronica al mondo della biologia e delle molecole. L'elettronica molecolare, suggerisce Ratner, potrebbe essere il pezzo del puzzle che finalmente aiuta a colmare il divario materiale tra biologia e informatica.

Campionatore molecolare Organizzazione Ricercatori chiave Messa a fuoco Delft University of Technology Cees Dekker Utilizzo di nanotubi di carbonio come nanofili e dispositivi elettronici; ha costruito un transistor da un singolo nanotubo Università di Harvard Charles Lieber Sintetizza array di nanotubi di carbonio che possono fungere sia da cavi che da dispositivi elettronici Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Assemblaggio chimico di array di interruttori riconfigurabili per memoria e logica; l'obiettivo è costruire un computer molecolare IBM Research Phaedon Avouris Studying the properties of nanotubes; ha realizzato un transistor da un singolo nanotubo Rice University James Tour Sviluppando un computer autoassemblato con una rete di logica e memoria altamente interconnessa; ha sintetizzato molecole con proprietà desiderabili Università del Colorado Josef Michl Costruzione di un computer molecolare; ha realizzato molecole adatte e cavi corti Università di Yale Mark Reed Collaborando con la Rice University per costruire un computer molecolare; ha fabbricato interruttori molecolari e dispositivi di memoria

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