Team sigter efter at skabe grafen nanobåndtråde, der er i stand til at bære information tusindvis af gange hurtigere

"Ballistisk transport" – det lyder som et brag ind i fremtiden. Og det er.

Ved at fremstille strimler af kulstof, der kun er et atom tykke og mindre end 15 atomer brede, forskere sigter mod at skabe "ledninger" i molekylær skala, der er i stand til at transportere information tusindvis af gange hurtigere, end det er muligt i dag.

Stukket ind i integrerede kredsløb, disse mikroskopiske strimler kendt som grafen nanobånd kan øges med mere end 10, 000 gange antallet af transistorer pr. område i computerchips. Den usædvanligt hurtige strømtransport langs grafen nanobånd ville ikke kun øge chipydelsen, men kunne forfine sensorernes følsomhed til at overvåge kredsløbsydelse eller subtile miljøændringer.

Først undfanget for kun ti år siden, nanoribbon teknologi er, selvfølgelig, et meget varmt felt. For at kunne udnytte grafens store løfte, selvom, de absolutte dimensioner af nanobåndene og deres indre symmetri skal være præcise og forudsigelige. Variationer i struktur genererer præstationsusikkerhed og ineffektivitet. Dagens fremstillingsteknikker er endnu ikke op til jobbet.

Felix Fischer, en kemiker i Berkeley, bruger sin støtte fra Bakar Fellows-programmet til at udvikle en helt ny og ekstraordinært præcis måde at skabe nanobånd på.

Fischer er også modtager af et David og Lucille Packard Foundation Fellowship, tildelt i år til 16 af landets mest innovative unge videnskabsmænd og ingeniører.

Nanobånds ledningsevne og andre elektriske egenskaber er i det væsentlige defineret af deres dimensioner. Det her, på tur, stammer fra deres absolutte atomare struktur. Tilføjelse af kun et eller to kulstofatomer til et 15-atom bredt bånd, for eksempel, forringer dets evne til at arbejde ved stuetemperatur.

Nuværende fremstillingsmetoder er afhængige af relativt grove fysiske midler til at skabe de mikroskopiske strimler - hvis noget på en skala på mindre end en milliardtedel af en tomme virkelig kan kaldes rå.

"Den konventionelle tilgang bruger en fokuseret stråle til at skære nanobånd fra ark af grafen, " siger Fischer. "Du mejsler den struktur, du ønsker, fra en større del af kulstof. Det kan gøres relativt hurtigt, men du har ikke præcis kontrol over placeringen af ​​hvert kulstofatom i båndet.

"Vi vil have nanobånd, hvor vi ved præcis, hvor hvert atom er."

I stedet for fysisk at forme strimler af grafen, Fischer laver dem kemisk sammen. Ved at skabe nanobånd fra deres molekylære underenheder, han kan kontrollere positionen og antallet af hvert atom i båndet og opnå forudsigelig kontrol over deres ydeevne, han siger.

Hans laboratorium syntetiserer molekylære byggesten lavet af ringe af kulstof- og brintatomer, svarende til den kemiske struktur af benzen. De opvarmer derefter molekylerne for at forbinde byggestenene til lineære daisy-kæder. I et andet opvarmningstrin fjernes de overskydende hydrogenatomer fra carbonskelettet, hvilket giver en ensartet rygrad af carbon-carbon-bindinger.

Forsamlingens atomarrangement og dets understøttende substrat ligner slangeskind eller et dækspor – dog i en fænomenal lille skala. Hvis 10, 000 nanobånd blev placeret side om side, de ville danne en struktur omtrent lige så bred som et menneskehår.

Elektroner kan rejse langs det ensartede grafenbånd i det væsentlige uden atomer til at blokere deres vej. Deres lige bane gør dem i stand til at transportere strøm tusindvis af gange hurtigere over korte afstande, end de ville gennem en traditionel metallisk leder som kobbertråd.

At, på tur, betyder, at transistorer kan tændes og slukkes meget hurtigere – en af ​​nøglerne til at øge et kredsløbs hastighed.

Fischer har fundet ud af, at nanobånd kan fungere som stuetemperaturhalvledere, når de er mellem 10 og 20 atomer brede.

"Jo bredere båndet er, jo smallere er båndgabet (en determinant for elektrisk ledningsevne), " siger han. "Hvis du går til meget bredere, de egenskaber, vi har brug for, falder ud."

Grafenstrimlerne kunne muliggøre meget hurtigere transport, opbevaring, og genfinding af data, end nutidens halvledere kan. Deres struktur spreder også varme godt, hvilket ville gøre det muligt for computere og andre store elektroniske enheder at arbejde længere og mere effektivt.

Læner sig tilbage i sin stol, armene foldet bag hovedet og et muntert smil på hans ansigt, Fischer sammenligner sin interesse for nanobånd med begejstringen for et barn, der drømmer om at være astronaut. "Det er at være et sted, hvor ingen har været før. I kemi, du kan lave nye ting hver dag. Du er kun begrænset af din fantasi og kreativitet."

Han nævner den ofte citerede Moores lov, der forudsiger, at computerchips ydeevne fordobles hvert andet år. "Mange producenter har bekymret sig for, at vi måske rammer et loft. Du skal tænke på, hvordan du kan producere elektroniske enheder, der kan arbejde hurtigere uden at generere mere varme. Disse nanobånd kan være en nøgle til at holde trit med Moores lov."

At forestille sig den mulighed er bestemt det første skridt.