L'état de la nanotechnologie

Il y a trois ans, lorsque le chimiste de l'Université Rice, James Tour, a présenté sa startup de nanotechnologie aux investisseurs, il a eu du mal à faire écouter qui que ce soit, malgré ses antécédents en tant que l'un des experts les plus accomplis au monde en nanosciences. Aujourd'hui, Tour affirme que ces mêmes investisseurs sont tout ouïe. Après avoir travaillé dans ce domaine pendant 13 ans et avoir fait dire aux gens, c'est de la tarte dans le ciel. Cela ne fonctionnera jamais », il est gratifiant de voir une certaine validation de la communauté des investisseurs, dit-il.

Pour l'appeler une certaine validation, c'est un euphémisme. La société Tour, cofondée en 1999, Molecular Electronics, a été l'une des premières à chercher à commercialiser des avancées scientifiques en nanoélectronique. Mais au cours de la dernière année seulement, avec des avancées plus rapides que presque tout le monde ne l'avait prédit - et avec des investisseurs en capital-risque soudainement intéressés - des dizaines d'entreprises de nanotechnologie se sont formées, soutenues par des centaines de millions d'investissements.

Alors que Molecular Electronics prévoit de construire une mémoire informatique en utilisant des molécules individuelles pour stocker des bits d'information, d'autres visent des capteurs biologiques ultrasensibles, des écrans plats ou des lasers nanoscopiques. Ces efforts ont en commun l'ambition d'utiliser des composants d'une taille de quelques nanomètres (milliardièmes de mètre) pour remplacer l'électronique conventionnelle. Les choses sont devenues folles l'année dernière, explique Paul Weiss, chimiste à l'Université d'État de Pennsylvanie. Nous sommes beaucoup plus loin que nous ne le pensions il y a un an.

La nanotechnologie affectera probablement de vastes secteurs de l'économie, de la biotechnologie et des soins de santé à l'énergie. Mais si des scientifiques comme Tour et Weiss ont raison, le plus grand impact viendra de la nanoélectronique. Pour la fabrication de produits électroniques, la promesse est des produits plus petits, plus rapides et moins chers que les approches conventionnelles ne pourraient jamais réaliser. Et les progrès sont venus à une vitesse remarquable. En 1998, les chercheurs ont eu du mal à mettre au point un seul composant nanoélectronique : une molécule qui agissait comme un interrupteur rudimentaire. Les équipes de recherche connectent maintenant des dizaines de ces composants à l'échelle nanométrique et envisagent la prochaine étape : comment assembler des dispositifs entiers, tels que des puces mémoire.

Aujourd'hui, les puces en silicium ont des caractéristiques aussi petites que 130 nanomètres. Mais continuer à rétrécir les puces de silicium devient coûteux et difficile. À un moment donné, le silicium va s'essouffler, déclare John Rogers, directeur de la recherche en nanotechnologie aux Bell Labs de Lucent Technologies et membre du TR100 1999. Vous allez avoir besoin d'autre chose. Quelque chose, dit Rogers, comme des transistors de la taille d'une seule molécule. Bien qu'il y ait encore au moins une décennie de la commercialisation, les puces construites à l'aide de ces transistors moléculaires sont le meilleur espoir de l'industrie pour la construction d'ordinateurs plus rapides et moins chers pendant une bonne partie de ce siècle.

Avec l'électronique dont nous parlons, nous allons créer un ordinateur qui ne tient pas seulement dans votre montre-bracelet, pas seulement dans un bouton de votre chemise, mais dans l'une des fibres de votre chemise, explique Philip Kuekes, un architecte informatique aux Laboratoires Hewlett-Packard. Kuekes et ses collègues conçoivent des circuits basés sur des réseaux perpendiculaires de fils minuscules, connectés à chaque intersection par des transistors moléculaires. D'ici le milieu de la décennie, dit Kuekes, Hewlett-Packard fera la démonstration d'un circuit logique à peu près aussi puissant que les circuits à base de silicium vers 1969. Nous essayons de réinventer le circuit intégré - avec sa logique, sa mémoire et ses interconnexions - avec un processus de fabrication moléculaire, dit Kuekes.

Bien avant le démarrage du premier ordinateur fil de chemise, cependant, les entreprises commenceront à intégrer des composants nanoélectroniques, y compris des fils minuscules et une mémoire informatique ultradense, dans l'électronique au silicium conventionnelle. Hewlett-Packard et Molecular Electronics, par exemple, prévoient tous deux de préparer des prototypes de dispositifs de mémoire dès 2004. Les dispositifs qui stockent un peu de données dans une seule molécule pourraient fournir des milliers de fois plus de densité de stockage que la mémoire électronique actuellement utilisée dans les ordinateurs. .

Les chercheurs travaillent également avec la nanoélectronique pour développer de nouveaux capteurs biologiques et chimiques impossibles avec la technologie conventionnelle. Université de Californie, Berkeley, le chimiste Peidong Yang est un chercheur qui développe de tels capteurs à partir de nanofils de silicium. Yang explique que le contact avec une seule molécule modifie l'état électronique des fils. Les chercheurs peuvent mesurer ce changement pour identifier des molécules inconnues à des fins de diagnostic ou de détection d'agents pathogènes.

Pour réaliser pleinement les possibilités de la nanoélectronique, cependant, les chercheurs doivent franchir plusieurs obstacles majeurs. Premièrement, ils doivent construire des composants nanoélectroniques robustes qui fonctionnent de manière aussi complète, fiable et efficace que le silicium, ce qui n'est pas une mince affaire, compte tenu de l'avance de 50 ans du semi-conducteur. L'automne dernier, Bell Labs Hendrik Schn a fait des progrès significatifs vers cet objectif en fabriquant un transistor moléculaire qui correspond à ses cousins ​​​​de silicium dans une caractéristique clé: le gain ou l'amplification du courant lorsqu'il traverse le transistor. Sans cette amplification, le signal électrique s'estompe rapidement et plusieurs appareils ne peuvent pas fonctionner ensemble comme des circuits logiques complexes. On peut non seulement commuter avec cet appareil mais amplifier le courant ; par conséquent, ces transistors sont adaptés pour constituer des blocs de construction de circuits plus grands, explique Schn.

Mais ces petites pièces d'essai ne sont que la moitié de la bataille, explique le lauréat du prix Nobel Richard Smalley, professeur de physique à Rice. Il faut être capable de développer des moyens de faire en sorte que les [pièces] aillent de leur propre gré là où vous les voulez. Des milliards, voire des milliards, de transistors moléculaires pourraient tenir sur une puce, bien trop pour être rangés un par un. Ajoute Mark Ratner, professeur de chimie à l'Université Northwestern, Vous voulez que cela devienne si automatique que n'importe quel bozo puisse le faire.

L'une des approches les plus prometteuses s'appelle l'auto-assemblage et renvoie à la biologie. La nature fait déjà un travail formidable en assemblant des molécules et d'autres composants à l'échelle nanométrique dans des motifs complexes, dit Angèle Belcher , chimiste à l'Université du Texas à Austin. Belcher cultive plusieurs générations de virus et de bactéries, cherchant à faire évoluer des traits tels que des poignées de protéines qui se lieraient aux nanotubes de carbone - des molécules en forme de tuyaux prisées pour leur force et leurs propriétés électriques - et les déposeraient dans des motifs utiles pour la nanoélectronique. Apprendre à développer la nanoélectronique de cette manière peut prendre un certain temps, explique Belcher. Mais un dispositif nanoélectronique fonctionnel semble beaucoup plus proche qu'il ne l'était il y a quelques années.

C'est cette nouvelle promesse qui a déclenché l'éruption de startups dans le domaine. De nombreux VC et investisseurs recherchent les prochaines grandes vagues, déclare Steven Jurvetson, investisseur en capital-risque chez Draper Fisher Jurvetson, basé à San Francisco, et membre du TR100 1999. La nanotechnologie est l'une des grandes opportunités technologiques avec une large applicabilité. Jurvetson compte dans le portefeuille de son entreprise trois préoccupations en nanoélectronique. Et son entreprise n'est pas seule. Selon VentureSource, les investisseurs en capital-risque ont investi plus de 100 millions de dollars dans des startups liées aux nanotechnologies en 2001. Mais, dit Jurvetson, les investisseurs doivent se méfier. Le préfixe nano' ne devrait pas suivre le même enthousiasme aveugle que le suffixe .com', dit-il.

En effet, pour le moment, les entreprises de microélectronique conventionnelle n'ont rien à craindre. Mais les récents progrès de la nanotechnologie ont convaincu de nombreux chercheurs qu'ils disposent d'une technologie fondamentalement nouvelle, qui élargira considérablement les possibilités de l'électronique. Une chose importante à retenir, dit Rogers de Bell Labs, est que les applications les plus attendues ne sont peut-être pas celles qui contribueront éventuellement à changer la façon dont les gens vivent. Les gens qui ont inventé le transistor n'ont probablement pas imaginé un ordinateur portable, dit-il. Il est juste difficile d'anticiper ces choses.

La nanoélectronique en est à ses balbutiements et des chercheurs comme Schn et Tour reconnaissent volontiers qu'ils ne savent toujours pas où elle aura son impact initial. Mais au moins, les gens prêtent maintenant attention aux possibilités et y investissent même.

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