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Lo stato della nanotecnologia
Tre anni fa, quando il chimico della Rice University James Tour ha presentato la sua startup di nanotecnologia agli investitori, ha avuto difficoltà a convincere qualcuno ad ascoltare, nonostante il suo curriculum come uno degli esperti più affermati al mondo in nanoscienze. Oggi, Tour dice che quegli stessi investitori sono tutt'orecchi. Dopo aver lavorato in quest'area per 13 anni e aver sentito la gente dire, questa è una torta nel cielo. Non funzionerà mai', è gratificante vedere alcune conferme dalla comunità degli investitori, dice.
Chiamarlo una conferma è per usare un eufemismo. La società Tour co-fondata nel 1999, Molecular Electronics, è stata una delle prime a cercare di commercializzare scoperte scientifiche nel campo della nanoelettronica. Ma solo nell'ultimo anno, con i progressi che sono arrivati più velocemente di quanto quasi chiunque avesse previsto e con i capitalisti di rischio improvvisamente interessati, si sono formate dozzine di aziende nanotecnologiche, sostenute da centinaia di milioni di investimenti.
Mentre l'elettronica molecolare prevede di costruire la memoria del computer utilizzando singole molecole per memorizzare bit di informazioni, altri stanno prendendo di mira sensori biologici ultrasensibili, o display a schermo piatto o laser nanoscopici. Ciò che accomuna questi sforzi è l'ambizione di utilizzare componenti di dimensioni di appena nanometri (miliardesimi di metro) per sostituire l'elettronica convenzionale. Le cose sono impazzite nell'ultimo anno, dice Paul Weiss, un chimico della Pennsylvania State University. Siamo molto più avanti di quanto pensassimo di essere un anno fa.
La nanotecnologia influenzerà probabilmente vasti settori dell'economia, dalla biotecnologia e l'assistenza sanitaria all'energia. Ma se scienziati come Tour e Weiss hanno ragione, l'impatto maggiore verrà dalla nanoelettronica. Per la produzione di elettronica, la promessa è di prodotti più piccoli, più veloci ed economici di quanto gli approcci convenzionali potrebbero mai raggiungere. E i progressi sono arrivati a una velocità notevole. Nel 1998, i ricercatori hanno lottato per creare un singolo componente nanoelettronico: una molecola che fungesse da interruttore rudimentale. I team di ricerca ora stanno collegando dozzine di questi componenti su nanoscala e stanno guardando al prossimo passo: come assemblare interi dispositivi, come i chip di memoria.
Oggi i microchip di silicio hanno caratteristiche di appena 130 nanometri. Ma continuare a ridurre i chip di silicio sta diventando costoso e difficile. Ad un certo punto, il silicio si esaurirà, afferma John Rogers, direttore della ricerca sulle nanotecnologie presso i Bell Labs di Lucent Technologies e membro del TR100 del 1999. Avrai bisogno di qualcos'altro. Qualcosa, dice Rogers, come i transistor delle dimensioni di singole molecole. Anche se mancano ancora almeno un decennio alla commercializzazione, i chip costruiti utilizzando questi transistor molecolari sono la migliore speranza del settore per costruire computer più veloci ed economici fino a questo secolo.
Con l'elettronica di cui stiamo parlando, faremo un computer che non sta solo nel tuo orologio da polso, non solo in un bottone della tua camicia, ma in una delle fibre della tua camicia, dice Philip Kuekes, un architetto informatico presso i laboratori Hewlett-Packard. Kuekes e i suoi colleghi stanno progettando circuiti basati su matrici perpendicolari di minuscoli fili, collegati ad ogni intersezione da transistor molecolari. Entro la metà del decennio, dice Kuekes, Hewlett-Packard dimostrerà un circuito logico potente quanto i circuiti a base di silicio del 1969 circa. Stiamo cercando di reinventare il circuito integrato, con la sua logica, memoria e interconnessioni, con un coerente processo di produzione molecolare, dice Kuekes.
Ben prima dell'avvio del primo computer, tuttavia, le aziende inizieranno a integrare componenti nanoelettronici, inclusi fili minuscoli e memorie per computer ultradense, nell'elettronica convenzionale al silicio. Hewlett-Packard e Molecular Electronics, ad esempio, prevedono entrambe di avere prototipi di dispositivi di memoria pronti già nel 2004. I dispositivi che memorizzano un po' di dati in una singola molecola potrebbero fornire una densità di archiviazione migliaia di volte superiore rispetto alla memoria elettronica attualmente utilizzata nei computer .
I ricercatori stanno anche lavorando con la nanoelettronica per sviluppare nuovi sensori biologici e chimici non possibili con la tecnologia convenzionale. Il chimico Peidong Yang dell'Università della California, Berkeley, è un ricercatore che sviluppa tali sensori da nanofili di silicio. Yang spiega che il contatto anche con una singola molecola cambia lo stato elettronico dei fili. I ricercatori possono misurare tale cambiamento per identificare molecole sconosciute ai fini della diagnosi o del rilevamento di agenti patogeni.
Per realizzare appieno le possibilità della nanoelettronica, tuttavia, i ricercatori devono superare diversi ostacoli importanti. In primo luogo, devono costruire componenti nanoelettronici robusti che funzionino in modo completo, affidabile ed efficiente come il silicio, un compito non da poco, dato il vantaggio di 50 anni del semiconduttore. Lo scorso autunno, i Bell Labs Hendrik Schn ha compiuto progressi significativi verso tale obiettivo fabbricando un transistor molecolare che corrisponda ai suoi cugini di silicio in una caratteristica chiave: guadagno o amplificazione della corrente mentre passa attraverso il transistor. Senza questa amplificazione, il segnale elettrico svanisce rapidamente e più dispositivi non possono funzionare insieme come circuiti logici complessi. Non solo possiamo passare con questo dispositivo ma amplificare la corrente; quindi questi transistor sono adatti per essere elementi costitutivi di circuiti più grandi, afferma Schn.
Ma questi piccoli test sono solo metà della battaglia, afferma il premio Nobel Richard Smalley, professore di fisica alla Rice. Bisogna essere in grado di sviluppare modi per far andare i [pezzi] di propria volontà dove li si vuole. Miliardi, persino trilioni, di transistor molecolari potrebbero stare su un chip, troppi per organizzarli uno per uno. Aggiunge Mark Ratner, professore di chimica alla Northwestern University, 'Vuoi che tutto questo diventi così automatico che qualsiasi idiota può farlo.
Uno degli approcci più promettenti si chiama autoassemblaggio e si rifà alla biologia. La natura fa già un ottimo lavoro nell'assemblare molecole e altri componenti su scala nanometrica in schemi complessi, afferma Angela Belcher , un chimico dell'Università del Texas ad Austin. Belcher sta coltivando più generazioni di virus e batteri, cercando di evolvere tratti come le maniglie proteiche che si legherebbero ai nanotubi di carbonio - molecole simili a tubi apprezzate per la loro forza e proprietà elettriche - e li depositano in modelli utili per la nanoelettronica. Imparare a coltivare la nanoelettronica in questo modo potrebbe richiedere del tempo, afferma Belcher. Ma un dispositivo nanoelettronico funzionale sembra molto più vicino di quanto avrebbe dovuto essere un paio di anni fa.
È questa nuova promessa che ha scatenato l'ondata di startup nel settore. Molti VC e investitori sono alla ricerca delle prossime grandi ondate, afferma Steven Jurvetson, un venture capitalist della Draper Fisher Jurvetson di San Francisco e membro del TR100 del 1999. La nanotecnologia è una delle grandi opportunità tecnologiche con ampia applicabilità. Jurvetson annovera nel portafoglio della sua azienda tre problemi di nanoelettronica. E la sua azienda non è sola. Secondo VentureSource, nel 2001 i venture capitalist hanno investito oltre 100 milioni di dollari in startup legate alle nanotecnologie. Ma, dice Jurvetson, gli investitori dovrebbero stare attenti. Il prefisso nano' non dovrebbe seguire lo stesso cieco entusiasmo del suffisso .com', dice.
In effetti, per il momento, le aziende di microelettronica convenzionale non hanno nulla da temere. Ma i recenti progressi nella nanotecnologia hanno convinto molti ricercatori di avere tra le mani una tecnologia fondamentalmente nuova, che amplierà notevolmente le possibilità dell'elettronica. Una cosa importante da ricordare, afferma Rogers di Bell Labs, è che le applicazioni più attese potrebbero non essere quelle che alla fine aiutano a cambiare il modo in cui le persone vivono. Le persone che hanno inventato il transistor probabilmente non hanno immaginato un computer portatile, dice. È solo difficile prevedere queste cose.
La nanoelettronica è molto agli inizi e ricercatori come Schn e Tour riconoscono liberamente di essere ancora incerti su dove avrà il suo impatto iniziale. Ma almeno le persone ora stanno prestando attenzione e persino investendo nelle possibilità.