Computación molecular

Para Mark Reed, el futuro de la electrónica molecular acaba de llegar. Reed, que se describe a sí mismo como un tipo de dispositivos, que dirige el departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad de Yale, se enorgullece de tener una inclinación claramente práctica. Pregúntele sobre la posibilidad de algún día usar moléculas para reemplazar el silicio en computadoras que son miles de millones de veces más rápidas que las PC de hoy o que caben en la cabeza de un alfiler, y hace una mueca. No sé cómo hacer eso. No creo que nadie lo haga, dice con desdén.



Pero eso no atenúa la emoción que siente Reed, un investigador líder en electrónica molecular. Utilizando moléculas sintetizadas por el químico James Tour de la Universidad de Rice, Reed ha fabricado memorias electrónicas y un elemento lógico simple formado por moléculas que funcionan como interruptores individuales diminutos. Los dispositivos, que se basan en pequeñas moléculas orgánicas diseñadas por los químicos de Rice para tener las propiedades electrónicas adecuadas, son experimentos de laboratorio rudimentarios. Pero funcionan: las moléculas actúan como un componente en dispositivos electrónicos ultrapequeños capaces de encender y apagar la corriente. Es más, estos primeros prototipos ya han mostrado indicios de realizar trucos de memoria y lógica que no son posibles con semiconductores de silicio.

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Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2000





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Lo más impresionante, dice Reed, es que los dispositivos moleculares son sorprendentemente fáciles y potencialmente baratos de fabricar. Simplemente sumerja una oblea de silicio forrada con electrodos metálicos en un vaso de precipitados lleno con los productos químicos adecuados y dé a las moléculas unos minutos para que se formen en los electrodos. Si eres lo suficientemente inteligente con la química, es posible persuadir a las moléculas para que se orienten espontáneamente sobre los electrodos. Funciona maravillosamente, y funciona todo el tiempo, dice Reed.

Puede que funcione siempre, pero existe una controversia considerable sobre a qué llegarán estas reacciones químicas. Mientras que los verdaderos creyentes imaginan un mundo en el que las computadoras moleculares microscópicas fabricadas a bajo costo realizan cálculos notables, los escépticos creen que el campo ha perdido de vista el mundo real de los límites de la ingeniería. Mientras tanto, los tipos de dispositivos como Reed piensan que el futuro, en forma de prototipos viables que se pueden integrar con la tecnología de silicio convencional, es ahora.

La ventaja central de la computación molecular es el potencial de empaquetar muchos más circuitos en un microchip de los que el silicio jamás será capaz de hacer, y hacerlo de manera económica. Los fabricantes de semiconductores ahora pueden colocar alrededor de 28 millones de transistores en un chip reduciendo las características más pequeñas de los transistores a aproximadamente 180 nanómetros (mil millonésimas de metro). Sin embargo, utilizando métodos convencionales de fabricación de chips, cuanto más pequeña se hace una característica, más caro y difícil se vuelve el proceso. Muchos expertos en semiconductores dudan que los métodos de fabricación comerciales puedan hacer que los transistores de silicio sean mucho más pequeños que 100 nanómetros de manera económica. E incluso si los fabricantes de chips pudieran encontrar una manera razonable de grabarlos en un chip, los componentes de silicio ultrapequeños probablemente no funcionarían: con dimensiones de transistores de alrededor de 50 nanómetros, los electrones comienzan a obedecer extrañas leyes cuánticas, vagando por donde están. no se supone que sea.



Las moléculas, por otro lado, tienen solo unos pocos nanómetros de tamaño, lo que hace posible que los chips contengan miles de millones, incluso billones, de interruptores y componentes. En los experimentos iniciales, los científicos han intercalado una gran cantidad de moléculas entre electrodos metálicos. Sin embargo, los dispositivos funcionan porque cada molécula funciona como un interruptor. Si fuera posible conectar un pequeño número de moléculas juntas como componentes electrónicos individuales para formar circuitos, el resultado cambiaría todo en el diseño de computadoras. Las memorias moleculares podrían tener un millón de veces la densidad de almacenamiento de los mejores chips semiconductores de la actualidad, lo que hace posible almacenar las experiencias de toda una vida en un dispositivo del tamaño de un reloj de pulsera. Las supercomputadoras pueden ser lo suficientemente pequeñas y baratas para incorporarlas a la ropa. Las preocupaciones de que la tecnología informática pronto se estrelle contra un muro desaparecerán.

Esas aplicaciones están a décadas de distancia, si es que alguna vez se materializan. Aún así, argumenta Reed, algunos usos de la electrónica molecular pronto podrían ser factibles. Los dispositivos moleculares ultrapequeños y baratos podrían colocarse uno al lado del otro con el silicio, reduciendo la cantidad de transistores y la potencia requerida por el circuito. Esto es algo que podría usar hoy, algo que podría vender en Radio Shack, dice Reed. Esto tiene la oportunidad de cambiar totalmente la economía del silicio.

Para hacerlo realidad, Reed, Tour y los químicos de la Universidad Estatal de Pennsylvania han cofundado una startup llamada Molecular Electronics. El grupo se niega a decir cuáles serán los productos iniciales, pero Tour dice que tener un sistema que funcione en un par de años no parece poco realista.

Hasta hace muy poco, esa predicción habría parecido inverosímil. Pero en el último año, el campo ha dado un salto de la teoría al ámbito de la práctica. Al igual que sus competidores en Yale y Rice, una colaboración de la costa oeste de químicos e informáticos de Hewlett-Packard y la Universidad de California, Los Ángeles, ha caracterizado recientemente moléculas capaces de actuar como interruptores electrónicos y memoria (ver el número anterior: Computación después de silicio , TR septiembre / octubre de 1999). R. Stanley Williams, quien dirige el esfuerzo en HP, dice que su equipo espera construir un prototipo de circuito lógico que integre una pequeña cantidad de dispositivos moleculares a nanoescala en 18 meses. Tenemos los interruptores y los cables, los componentes para fabricar verdaderos nanocircuitos, dice Williams.



La receta

En teoría, al menos, ensamblar un dispositivo electrónico molecular es sencillo. En la versión de la receta favorecida por la colaboración HP / UCLA, los científicos primero hacen una sola monocapa de las moléculas orgánicas correctas en un aparato químico llamado canal Langmuir; luego sumergen un sustrato de silicio cubierto por un patrón de electrodos metálicos en la cubeta. Si la química es la correcta, las moléculas se unirán a los electrodos metálicos, orientándose ordenadamente. A continuación, se deposita un segundo juego de electrodos sobre las moléculas; el resultado es una monocapa de moléculas orgánicas intercaladas entre electrodos metálicos.

El desafío es que la mayoría de las moléculas orgánicas no son conductores eléctricos en absoluto, y mucho menos tienen las propiedades electrónicas que les permiten funcionar como un interruptor eficaz. Lo que se necesita para que el sistema funcione electrónicamente son moléculas especialmente diseñadas que se encienden y apagan repetidamente de una manera confiable y detectable (las propiedades que han hecho que el silicio sea tan exitoso). Encontrar moléculas capaces de hacer el truco es el dominio de los magos de la química como Rice’s Tour y James Heath y Fraser Stoddart de UCLA.

Su hechicería comenzó a dar grandes frutos el otoño pasado. En primer lugar, el grupo HP / UCLA publicó un artículo que describe lo que en realidad es un fusible molecular: un interruptor de una sola vez basado en una molécula orgánica compleja con forma de mancuerna llamada rotaxano; Posteriormente, los científicos han realizado conmutadores reversibles. También mostraron cómo el dispositivo podía realizar funciones simples de lógica y memoria. En unos meses, la colaboración Yale / Rice rivalizó con esa hazaña al describir la síntesis de otras moléculas orgánicas que actúan como dispositivos electrónicos.

A pesar de las diferencias en los detalles moleculares, los dos grupos de investigación se están aprovechando de los mismos efectos cuánticos que eventualmente podrían establecer límites fundamentales en los semiconductores de silicio. Las moléculas que separan los dos electrodos normalmente bloquearían el flujo de corriente. En el nanomundo de moléculas individuales, sin embargo, los electrones pueden atravesar una barrera que, según la física clásica, debería bloquear su camino. Al manipular un voltaje colocado a través de los electrodos, los científicos pueden ajustar la tasa de tunelización y así encender o apagar la corriente.

Reed ya ha comenzado a pensar en formas de utilizar dispositivos moleculares en combinación con el silicio convencional. Un tipo de puerta lógica cuántica que Reed ha construido recientemente haría, por ejemplo, la misma función especializada que siete transistores de silicio mucho más grandes, reduciendo significativamente el tamaño y el consumo de energía de un circuito integrado. Y aunque la fabricación de transistores convencionales requiere un procesamiento complejo y costoso, el dispositivo molecular se puede pegar al circuito, dice Reed.

Las moléculas también podrían proporcionar una memoria electrónica ultrabarato con algunas propiedades atractivas. El tipo más común de memoria semiconductora se llama DRAM, para memoria dinámica de acceso aleatorio. (Esta es la memoria a corto plazo en la que se basa su computadora cuando ejecuta un programa). El problema con la DRAM es que la información almacenada se evapora cuando se apaga la energía; es volátil. Esa es la razón por la que tiene que iniciar Windows cada vez que enciende su computadora, moviendo el programa desde su disco duro a los chips DRAM. Pero un dispositivo molecular experimental que Reed fabricó el otoño pasado contiene datos durante más de 10 minutos después de que se apaga la energía. Supongamos que podemos conseguirlo durante varios años, dice Reed. Básicamente sería memoria no volátil. Imagínese cuántas veces no tendría que iniciar Windows.

Aunque estas primeras aplicaciones están muy lejos de las computadoras moleculares de mil millones de transistores que imaginan los entusiastas, podrían mostrar el valor de las moléculas orgánicas como material electrónico. Son la nariz de un camello debajo de la tienda, dice Reed, y agrega que estos dispositivos híbridos ya son muy realistas. Son el primer paso en el camino hacia circuitos [moleculares] más complejos.

Sin embargo, es probable que sea un largo camino. Incluso una computadora simple hecha de componentes moleculares está al menos en una década, y solo si nos volvemos realmente inteligentes, reconoce Williams. Pero el químico de HP dice que su grupo ya está en camino. En sus prototipos iniciales, los investigadores de California han fabricado los alambres de metal superior e inferior como rejillas perpendiculares, creando una estructura de barra transversal con las moléculas asentadas en las uniones de los alambres. Hasta ahora, el grupo ha fabricado dispositivos con contactos metálicos de miles de nanómetros de diámetro; hay millones de moléculas en cada unión. Pero Williams dice que para finales de este año, el grupo espera tener cables que midan unos pocos nanómetros de ancho. No tenía sentido hacer todo lo difícil de inmediato. Entonces usamos cables mucho más grandes. Ahora estamos haciendo los experimentos para cambiar a cables más pequeños y realizar las mediciones.

Los candidatos casi perfectos para cables tan diminutos son las estructuras conocidas como nanotubos de carbono. Estos tubos de forma regular, de solo unos pocos nanómetros de diámetro, podrían ser excelentes conductos para los electrones que atraviesan un circuito molecular. El problema es que los nanotubos tienden a formarse como un enredo enredado, lejos de los arreglos prolijamente ordenados necesarios para fabricar circuitos complejos. Construir cualquier estructura con nanotubos es ahora una forma de arte, dice el físico Paul McEuen de la Universidad de California en Berkeley. Básicamente, los tiramos al suelo y buscamos [la estructura] que queremos.

El grupo HP / UCLA confía en que resolverán el problema del cableado. Eventualmente se usarán nanotubos. Sus propiedades físicas y electrónicas son muy deseables, dice Williams. Por ahora, dice, el grupo también está trabajando en nanocables de silicio. Y, promete Williams, con o sin nanotubos de carbono, a finales del verano los científicos reducirán las uniones de los dispositivos a menos de 10 nanómetros. Los objetivos a corto plazo son una memoria de 16 bits de 100 nanómetros de lado, y poco después un dispositivo lógico de tamaño similar. Es posible que estos circuitos rudimentarios no amenacen el reinado del silicio, pero podrían ser un hito para ayudar a demostrar que la electrónica molecular es factible.

Pero luego viene la parte realmente desalentadora: convertir estos dispositivos simples en circuitos lógicos complejos e integrarlos en una computadora real. Una de las sanciones que paga por fabricar microelectrónica basada en la química es que, a diferencia de los chips de silicio fabricados en plantas de fabricación de alta tecnología, los dispositivos moleculares sintetizados en depósitos de sustancias químicas estarán intrínsecamente llenos de defectos. En la escala de moléculas individuales, la química se da a las fluctuaciones estadísticas; a veces funciona y otras no. Pero es aquí donde los científicos de HP / UCLA sostienen que han logrado su avance más importante.

Su respuesta: software que supera los defectos. Hace varios años, los científicos informáticos de HP construyeron una supercomputadora llamada Teramac, utilizando chips de silicio defectuosos tan defectuosos que se consideraban inútiles. Los científicos de HP improvisaron estos chips rechazados en una computadora mediante el desarrollo de una arquitectura de barra transversal que hace posible conectar cualquier entrada con cualquier salida. Una vez que se construyó el hardware, la computadora se programó para identificar y enrutar cualquier defecto. El sistema funcionó, y su paralelismo masivo proporcionó un arquetipo que los científicos de California planean usar para su computadora molecular.

Un químico trabajando en una computadora es algo extraño. No se puede ir a un químico y pedirle que construya una computadora, dice Heath, uno de los científicos de UCLA que está ayudando a sintetizar los componentes necesarios. Pero, dice, la arquitectura Teramac ha proporcionado al grupo HP / UCLA un objetivo claramente definido. El software lo convertirá en una máquina, dice Heath. Esa computadora molecular puede estar muy lejos, reconoce. Pero no hay ninguna razón por la que no funcione.

El mundo entre

Si bien personas como Heath son optimistas, la tecnología tiene su parte de escépticos. El campo de la electrónica molecular está enamorado de sí mismo, dice Rick Lytel, científico informático de Sun Microsystems. Sin embargo, a pesar de su escepticismo, Lytel está atento al campo de Sun y está desarrollando especificaciones para probar y evaluar prototipos de dispositivos moleculares. Él cree que la electrónica molecular podría eventualmente encontrar usos como dispositivos de memoria. Pero Lytel dice que muchos de sus colegas en el campo se han engañado a sí mismos al pensar que están a solo un paso del mercado.

Incluso los que creen en las perspectivas de la electrónica molecular no están de acuerdo entre sí sobre el papel que desempeñará la tecnología en la computación y la electrónica. Tomemos como ejemplo a Mark Ratner, un químico de la Northwestern University que generalmente es considerado como uno de los abuelos del campo. Ratner duda que las moléculas compitan alguna vez directamente con el silicio en complejas tareas computacionales. Desea utilizar moléculas para lo que hacen mejor y para compensar donde el silicio se queda corto, dice Ratner. En particular, señala su capacidad para reconocer y responder a otras moléculas. Al combinar esas funciones con las propiedades electrónicas recientemente desarrolladas, puede crear pequeños sensores y actuadores que detecten y reaccionen de manera inteligente a pistas biológicas y químicas. Podría, dice Ratner, hacer posible biochips implantables que incorporen sensores y actuadores hechos de electrónica molecular que detecten las necesidades del cuerpo y respondan descargando una dosis apropiada de medicamento.

Para este pionero de la electrónica molecular, el verdadero potencial del campo podría realizarse al unir el mundo de la microelectrónica con el mundo de la biología y las moléculas. La electrónica molecular, sugiere Ratner, podría ser la pieza del rompecabezas que finalmente ayude a cerrar la brecha material entre la biología y la informática.

Muestreador molecular Organización Investigadores clave Enfocar Universidad Tecnológica de Delft Cees Dekker Uso de nanotubos de carbono como nanocables y dispositivos electrónicos; ha construido un transistor a partir de un solo nanotubo Universidad de Harvard Charles Lieber Sintetizando matrices de nanotubos de carbono que pueden actuar como cables y dispositivos electrónicos Hewlett-Packard / UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Ensamblaje químico de matrices de interruptores reconfigurables para memoria y lógica; el objetivo es construir una computadora molecular IBM Research Phaedon Avouris Estudiar las propiedades de los nanotubos; ha hecho un transistor a partir de un solo nanotubo Rice University James Tour Desarrollando una computadora autoensamblada con una red altamente interconectada de lógica y memoria; ha sintetizado moléculas con propiedades deseables Universidad de Colorado Josef Michl Construyendo una computadora molecular; ha fabricado moléculas adecuadas y cables cortos Universidad de Yale Mark Reed Colaboración con la Universidad de Rice para construir una computadora molecular; ha fabricado interruptores moleculares y dispositivos de memoria

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