IBM meldt doorbraak met koolstof nano-tubes

C|Net News.com heeft een artikel geplaatst over een doorbraak die IBM rapporteert op het gebied van koolstof nano-tubes. Een aantal wetenschappers in dienst van het bedrijf beschrijft hoe een transistor gebouwd kan worden van op moleculair niveau getweaked koolstof, die meer dan twee keer zo snel werkt als een constructie van silicium en metaal. Het hele idee achter de nanotubes is om koolstofatomen zo te behandelen dat er een kristal in de vorm van een moleculaire tunnel wordt gevormd, die veel kleiner en dunner is dan welke etsmachine dan ook durft te dromen.

Electronen die door zo'n buis heen bewegen komen veel minder obstakels tegen dan bijvoorbeeld binnen het op dit moment populaire koper het geval is. Door de lagere weerstand gaat er veel minder stroom verloren en komt er dus ook veel minder hitte vrij. Het bouwen van zo'n buis is natuurlijk één ding, maar manieren verzinnen om de buizen te gebruiken voor logische circuits en uiteindelijk de massaproductie van processors is natuurlijk een tweede. Men verwacht dat het uiteindelijk goedkoop moet kunnen, maar er moeten nog veel problemen worden overwonnen. Er is naar verwachting nog zo'n tien jaar de tijd om de techniek te perfectioneren, want rond die tijd wordt het maximum haalbare met CMOS voorspeld:

In the field of high tech, IBM, Hewlett-Packard and other companies are experimenting with these techniques to build microscopic circuits. Eventually, these circuits could be used to create inexpensive sensors for detecting gas leaks or other environmental hazards, or, some two decades down the line, small data storage devices or computer chips.

[...] Of course, the benefits are still hypothetical. Reseachers, for instance, recently determined that there is an energy barrier of sorts at the thin, contact end of the tubes that doesn't occur with standard silicon transistors. The ability of molecules to arrange themselves has also not fully been plumbed.

Reacties (40)

[Ruuddie]

Ah, dit zal me docent scheikunde wel interessant vinden, die vroeg mij er een klein werkstukje over te maken
(www.brunssum.net/~strypbam/nanotube/index.htm)

Maarja, wat ik mij nogsteeds afvraag, is of dit ook veel sneller is dan de huidige Si-28 processoren? Of is dit alleen maar minder warm? Tja, minder warm wil zeggen dat je hem hoger kan klokken uiteraard, maar dat kan toch ook met silicium, als je het goed koelt...

[nAFutro]

is of dit ook veel sneller is dan de huidige Si-28 processoren? Of is dit alleen maar minder warm? Tja, minder warm wil zeggen dat je hem hoger kan klokken uiteraard, maar dat kan toch ook met silicium, als je het goed koelt...

spreek jezelf niet tegen, als je koolstof gelijk koelt als het silicium word die kouder, zeg je zelf
meer koeling = meer tweakpotentieel

[Anoniem: 55943]

Klinkt supergoed... dergelijke nanotubes worden alweer een tijdje gebruikt bij electronenmicroscopen om nog hogere resoluties te behalen...

Het verlies aan vrije electronen zal minimaal zijn... geleiding vindt plaats omdat je het circuit belast... je legt een spanningsverschil aan over de uiteinden en creert daarmee veldlijnen, eens soort kabelbanen zeg maar... de electronen zullen geforceerd die veldlijnen volgen (hoewel ze binnen de diameter van het geleidingsmateriaal vrij kunnen bewegen)...

En wat betreft die broosheid... dat kon nog best wel eens tegenvallen... Een potlood heeft koolstof met een redelijk willekeurig atoomrooster en is daardoor broos. Diamant bijvoorbeeld is ook pure koolstof... en die zou ik niet echt broos willen noemen... Dit komt door het extreem regelmatig en goed gerangschikt atoomrooster... een buckybal (buckminsterfullereen of C60) is zelfs nog harder dan diamant. De structuur van zo'n nanotube is (moet zelfs) een goede rangschikking van de koolstofmoleculen... deze zal zeker niet te broos zijn...

[Anoniem: 48810]

Dakkon, interessante reactie maar ik vrees dat je op enkele punten de bal een beetje misslaat:

(hoewel ze binnen de diameter van het geleidingsmateriaal vrij kunnen bewegen)...

Bij een electrische stroom is het altijd zo dat de ladingen zich verplaatsen langs de buitenkant van de geleider. Bij grafiet (dus deze vorm van koolstof) kan de geleiding sowieso maar in twee richtingen gebeuren, namelijk in het vlak van de reuzemolecule. Als er over de lengte van zo een nanobuisje dan een spanningsverschil zou aangelegd worden, dan zullen de electronen nog maar in 1 richting bewegen (ten minste, netto gezien).

Een potlood heeft koolstof met een redelijk willekeurig atoomrooster en is daardoor broos.

Dit is ook niet echt waar; het verschil tussen grafiet en diamant is dat een koolstofatoom in grafiet slechts een verbinding vormt met drie omliggende koolstofatomen, en dit in één vlak. Gevolg hiervan is dat er per koolstofatoom één dubbele binding aanwezig is. Het zijn de electronen in deze dubbele binding die voor de geleiding gaan zorgen en er de oorzaak van zijn dat de geleiding slechts goed is in dat vlak. Een grafietblokje is opgebouwd uit miljoenen van die opgestapelde vlakken. De verbinding tussen die vlakken onderling is natuurlijk niet zo sterk als de verbinding in de vlakken. Dit is er de oorzaak van dat grafiet in bepaalde richtingen gemakkelijk zal breken. Je kan dus niet zeggen dat de opbouw van grafiet willekeurig is.

Diamant verschilt van grafiet doordat het opgebouwd is door koolstof in een regelmatig 3D-netwerk, waarbij ieder koolstofatoom een verbinding maakt met 4 omliggende koolstofatomen. Hier worden dus geen dubbele bindingen gevormd, dus kan het materiaal dus ook niet geleiden, maar door het 3D-netwerk is het wel superhard materiaal.

[SKiLLa]

nu ff serieus, is koolstof niet vrij broos. dit levert dan weer problemen op met de koeling immers kun je het koelblok niet te hard aandrukken

Deze 'nano buckets' (buckybal ) en 'tunnels' zijn juist supersterk; door de 'kippengaas structuur' is de verbinding megasterk; sterker dan bestaande synthetische stoffen. Zo heb ik ooit in Natuur & Techniek (naar aanleiding van een artikel in 'Science' ) hier een artikel over gelezen waarin men de volgende 'beeldspraak' gebruikte:

Met deze koolstof verbinding is het mogelijk een auto van 1000 kg. aan een 'draad' met de diameter van een visdraad op te hangen !!!

Hoezo sterk ?

Daarnaast zal de electronenstroom minder weerstand ondervinden; daar het [simpel gezegd] minder elementen tegenkomt in de 'tunnel' en dus minder kan botsen. Daarnaast is de afstand natuurlijk veel kleiner dan 'nu'; dus de kans op 'storingen en botsingen' door 'vervuiling van het materiaal' ook.

Doordat de 'tunnel' zo klein en 'zuiver' is en de tunnelwanden inderdaad als een 'electronische muur' fungeren, zullen de elektronen niet 'gestoord' worden of 'ontsnappen', maar gewoon de tunnel door 'geperst' worden.

Hopelijk is bovenstaande een beetje begrijpelijk,
natuurkundig & scheikundig is het natuurlijk een stuk complexer, maar het principe blijft hetzelfde.

Deze ontwikkeling is zoals al eerder vermeld al langer gaande en zie ik persoonlijk als een van de meest belovende/belangrijke doorbraken van de afgelopen jaren. Het potentieel is MEGA EXA ENORM !

[ NvdR: typo fixt ]

[Anoniem: 55978]

Even over die buisjes. Volgens mij wordt dit principe ook al in de zendtechniek gebruikt. Bij hoogvermogen zenders wordt gebruik gemaakt van buizen om te voorkomen dat de geleiders (in geval van zenders is dat meestal koper) te warm worden. Je kunt gebruik maken van buizen omdat electronen elkaar afstoten en daarom ALIJD zoveel mogelijk aan de buitenzijde van de geleider zullen bewegen.

Een ander probleem dat bij de steeds verdere verkleining van componenten om de hoek komt kijken is dat gewone natuurkunde eenvoudigweg niet meer geldt. Je komt verder met Quantum mechanica en atoomfysica, waarbij bijvoorbeeld de spin van een electron bepaald of je een 1 of 0 hebt...

Tenslotte: Doorbraak? Volgens mij geldt nog steeds de wet van Moore uit 1970. Deze 'Tweaker van het eerste uur' beweerde toen al dat de computertechniek lineair met een factor 2 zou verbeteren. Steeds weer wordt voorspeld dat aan de wet van Moore een eind komt, ik geloof er nog niks van. Dit artikeltje bewijst maar weer eens dat we nog een lange weg te gaan hebben. Tijd voor bijscholing dus

[LauPro]

Wel grappig alleen ik denk dat dit dan storingsgevoeliger is dan de 'oude' methode. Als elektronen vrji zweven dan kunnen ze natuurlijk makkelijker beïnvloed worden dan als ze door koper heen gaan (als ik logisch nadenk). Maarja een kooitje er omheen en het is opgelost.

[silentsnow]

Wel grappig alleen ik denk dat dit dan storingsgevoeliger is dan de 'oude' methode. Als elektronen vrji zweven dan kunnen ze natuurlijk makkelijker beïnvloed worden dan als ze door koper heen gaan (als ik logisch nadenk). Maarja een kooitje er omheen en het is opgelost.

De electronen bevinden zich op een soort snelweg, bewegen zich niet vrij. Ik denk juist dat er minder storing is, dan met het conventionele koper. Doordat de nano-tube uit puur koolstof atomen opgebouwd worden, zijn deze tubes perfect voor het geleiden van electriciteit en warmte. Er word er dus een soort tunnel gecreerd van die koolstofatomen waardoor er is verder niks dat kan reageren met de electronen.

Eerst moet CMOS verder ontwikkeld worden. Wellicht kan dat als basis dienen voor het verder ontwikkelen en implementeren van microelectromechanische systemen (MEMS) en koolstof nano-tubes.

Wat verdere informatie:
CVD process tames carbon nanotube growth
Bell tolls for CMOS, with successor nowhere in sight
Carbon nanotubes

[Anoniem: 45450]

De electronen bevinden zich op een soort snelweg, bewegen zich niet vrij.

De elektronen bewegen zich wél vrij. Als je de definitie kent van een elektrische stroom zul je weten dat door middel van vrije elektronen de stof de stroom kan geleiden. De elektron zal met de stroom meegaan en daarmee een positief geladen atoomrest achterlaten, die vervolgens weer een nieuwe elektron aantrekt.

Omdat de stof een hogere temperatuur heeft dan 0º K bewegen de atomen onderling alle kanten op. De elektronen die met de stroom meegaan botsen constant tegen die atomen, en worden dus afgeremt. Dit noemen we weerstand.

Hiermee is het mogelijk om met veel minder botsingen een stroom te laten lopen, dus ook minder weerstand en warmte. En sneller vooral!

[kareltje21]

De electronen zweven zowel vrij als niet vrij.

Niet vrij: een aantal hier denkt dat de electronen binnen in de buis zweven. Dit is dus niet zo.

Wel vrij: electrische stroom zijn electronen die vrij door een stof zweven. (die geleidend is).

Dit betekent dat de losse electronen van atomen verspringen van het ene atoom naar het aangrenzende atoom. (waarbij beide atomen dus losse electronen hebben (is een ander aantal dan 8 in de buitenste baan)).

Het gemak waarmee electronen loslaten van het atoom (varieert met het aantal electronen in de buitenste baan) bepaalt het geleidend vermogen van de atomen (stof).

Het voordeel van de moleculaire tunnel is dat bij een normale stof een vrije electron naar 3 richtingen kan springen, terwijl dit in een tunnel maar in 2 is (vlak van de tunnel wand).

[brammus]

Ik wil niet doen alsof ik er alles van weet, maar ik vraag me het volgende af:

Het volume van een electron is verwaarloosbaar klein vergeleken met het volume van het atoom of de kern daarvan...
Het idee dat een electron door die koolstof-buis geleidt zou kunnen worden lijkt daarom nogal onlogisch...
Immers: Dat electron zou door de 'mazen' (tussen de elctronenschillen en de kern zit een zee van ruimte) van de koolstofatomen kunnen wippen vanwege krachten die zich buiten de buis manifesteren.

Het is te vergelijken met een buisvormig kippegaas met de dimensies van een autotunnel waardoor speldeknopjes geschoten worden...

Hoe weten ze dat binnen de perken te houden

Als het een klok-klepel verhaal is, gaarne correctie(s) over wat ik niet lijk te snappen...

[Anoniem: 351]

Het idee dat een electron door die koolstof-buis geleidt zou kunnen worden lijkt daarom nogal onlogisch...

Klopt! Iedereen die bv. deze tijd eindexamen natuurkunde doet (mensen, succes ) weet dat electronen zich voortbewegen volgens nauwgedefinieerde banen rond de molecuulkern. Een bepaald voltage over een reeks moleculen doet een aantal elektronen hiervan "overslaan" van het ene naar het volgende molecuul. De elektronen gaan dus juist niet via de getekende buis maar langs of beter "door" de wand.

Immers: Dat electron zou door de 'mazen' (tussen de elctronenschillen en de kern zit een zee van ruimte) van de koolstofatomen kunnen wippen vanwege krachten die zich buiten de buis manifesteren.

Je definieert hier al redelijk het principe van geleiding.
Het voordeel van de nanotubes is AFAIK het stabiele karakter van de fullerenen (t.o.v. geleiding) door de fysische stabiele macrostructuur en de bekende chemische stabiliteit van C6-structuren, niet het creeeren van een soort snelweg voor electronen door die misleidende tunnelstructuur.

edit:
Sorry Kareltje, halve dubbelpost, koffie was nog niet gezet en er kwam net een service engineer binnen. Dat 2D i.p.v. 3D verhaal klinkt ook wel logisch, maar een voltage heeft toch dezelfde invloed?

[Roland684]

Er is naar verwachting nog zo'n tien jaar de tijd om de techniek te perfectioneren, want rond die tijd wordt het maximum haalbare met CMOS voorspeld

Dat is een heel vreemde oorzaak-gevolg relatie.
Als de grenzen van CMOS eerder bereikt zouden worden dan zou de techniek dus plotseling wel veel sneller geperfectioneerd kunnen worden?

[bjorntje424]

Ja, maar waarom al een nieuwe techniek uitbrengen als de oude nog niet uitgemolken is?

Daarom wachten ze met het perfectioneren tot de oude techniek op z'n einde loopt. Daarna passen ze de nieuwe techniek toe.

[Anoniem: 32081]

Daarom wachten ze met het perfectioneren tot de oude techniek op z'n einde loopt. Daarna passen ze de nieuwe techniek toe.

Nee, dat ook niet. Ze wachten helemaal niet met perfectioneren totdat de oude techniek op z'n einde loopt. Ze gaan hem nu al perfectioneren, in de hoop dat ze over 10 jaar klaar zijn voor massaproductie als de oude techniek tegen zijn grenzen aanloopt.
De conclusie die Roland Witvoet trekt hierboven is dus juist, dat het woord want hier niet op zijn plaats is. Er kan ook meer tijd nodig zijn om de techniek te perfectioneren, met als gevolg dat we een tijdje niet meer aan schaalverkleining kunnen doen. Met als gevolg stagnatie in de vooruitgang op versnelling van electronica-componenten.

[Florimon]

Ik denk dat je het eerder moet lezen als :

Er is naar verwachting nog hoogstens zo'n tien jaar de tijd om de techniek te perfectioneren, want rond die tijd wordt het maximum haalbare met CMOS voorspeld

[Daniel304]

Het ligt misschien aan mij maar wat is nou precies de doorbraak ?!? Ik wist al langer dat IBM bezig was met Nano-tubes..

[Anoniem: 56003]

Nanotubes etc. worden idd al een geruime tijd onderzocht en gebruikt in onderzoek. De doorbraak is hier de ontwikkeling van een equivalent van de transistor. Dit kan de onderzoekers hulp bieden bij het ontwikkelen van complete logische schakelingen met behulp van de tubes etc. Uiteindelijk willen we naar een "nanoprocessor" toe (toch?)

[JT]

Tegen de tijd dat dit consumenten spul is, dan zijn de snelheden alweer zo hoog dat actieve koeling alsnog nodig is, en dat is jammer. Ik denk dat mensen best wel wat extra over hebben voor een passief gekoelde pc.

[RobT]

die meer dan twee keer zo snel werkt dan een constructie van silicium en metaal.

Wouter, het is "zo snel als", dus ook "2x zo snel als"...
[/pietlutmode]

[minder-pietlut pietlutmode] CMOS transistoren zijn niet van metaal, MOS staat wel voor Metal Oxide Silicium (C: complementary, N- en P-mos op dezelfde chip), maar de gates, die vroeger inderdaad van metaal waren (heel heel in het begin) zijn al heel erg lang van polysilicium, kortweg poly.

Verder wordt de vergelijking gemaakt met koper, terwijl we het hier over de transistorwerking hebben, en daar wordt in CMOS gebruik gemaakt van halfgeleidermateriaal.

Wel fijn dat er dus iets komt na het einde van de silicium technologie over 10 jaar, hoef ik me misschien niet al te zeer om te scholen.

[Anoniem: 48920]

dat koolstof geleidt wist ik al lang, steek maar eens een potlood in het stopcontact.


nu ff serieus, is koolstof niet vrij broos. dit levert dan weer problemen op met de koeling immers kun je het koelblok niet te hard aandrukken


*edit: wat nou flamebait....

[Beaves]

nu ff serieus, is koolstof niet vrij broos. dit levert dan weer problemen op met de koeling immers kun je het koelblok niet te hard aandrukken

Het huidige silicium waar chips van gemaakt worden is anders ook niet al te hard maar dat zorgt er toch ook niet voor dat wij onze chips niet meer kunnen koelen?

Je kan altijd de core verstevigen (zoals Intel deed met bijvoorbeeld de P3 Coppermine), of je kan een heatspreader gebruiken. Zo'n heatspreader zorgt ervoor dat het koelblok een groter contact heeft met de CPU en het zorgt voor de stevigheid.

Als je dat niet doet, dan is een chip erg makkelijk te "crushen", iets wat veel voorkwam bij de eerste K7's.

Dus de "broosheid" van een stof maakt niet veel uit, als je maar goede beschermingsmaatregelen treft.

[Stephan Oudmaijer]

ik vraag me af of deze chips van de toekomst wel zo heet zullen worden. minder weerstand en minder warmte verlies = minder koeling ( lijkt mij ), plus dat het oppervlak kleiner is en waarschijnlijk lagere voltages kunnen worden gebruikt.

ook ben ik benieuw hoe het nou zit met die clock-loze processoren, aangezien deze clock ruim 20 % van de cpu capaciteit in beslag neemt. daar zijn dus ook nog leuke performance winsten te behalen neem ik aan.

[hiostu]

Uhm, is koolstof niet één van de hardste stoffen ter wereld, een diamand is puur koolstof en die kan alleen geslepen worden met een andere diamand.

[Cow_tipping]

Koolstof heeft een andere kristalstruktuur dan diamant.
Dus: nee

Nanotubes hebben niet de kristalstruktuur van diamant, anders zouden ze geen tubes kunnen zijn. Diamant ontstaat door koolstof bij hoge temperatuur samen te drukken.

[kareltje21]

Cowtipping:
Ook dat is nog niet helemaal juist,

Koolstof is een Atoom, geen verschijningsvorm.

Dit atoom kan in verschillende varianten voorkomen in.

Als je een hoeveelheid hebt die niet gerangschikt is dan heet dat amorf. Dit is een zachte los samenhangende vorm. Bij koolstof heet deze verschijning grafiet.

Een vorm waarin een structuur zit heet een kristal.
Diamant is de kritstal structuur van koolstof.

[RG]

koolstof in je potlood kun je hier helemaal niet meer vegelijken. Ik denk juist dat dit wel eens steviger kan zijn dan silicium. Zolang je een stabiele en sterke structuur hebt kan er weinig misgaan.

Zo ongeveer alle plastics bestaan voor het grootste deel uit koolstof en dat kan ook heel sterk zijn (naar gelang de structuur uiteraard).

[Beaves]

Ehm, het is niet zo dat IBM, Intel en HP lekker rustig aan doen omdat we toch nog zo'n 10 jaar hebben, maar omdat de ontwikkeling nou eenmaal erg veel tijd en vooral geld kost.

De diverse fabrikanten zijn al een lange tijd bezig met deze technieken, een greep uit een paar gerelateerde nieuwsartikelen:

IBM met nanotubes (2001)
IBM met een circuit van koolstofatomen (2001)
TU Delft met nanobuizen (2001)
HP met een moleculair circuit (2002)

Dus zoals je ziet zijn de fabrikanten al hard bezig met het onderzoeken en het oplossen van allerlei problemen die men tegen komt tijdend de ontwikkeling.

Ze wachten dus echt geen 9 jaar om pas het 10de jaar echt vol aan de bak te gaan, dat zou idd een beetje vreemd zijn.

[0rbit]

Je kunt beter oude technologie volledig uitmelken alvorens nieuwe technologie toe te passen. Doe je dit wel dan zorg je voor onnodig snelle ontwikkelingen in de markt, terwijl die ontwikkeling vanzelf geschiedt onder invloed van concurrentie