Jak materiałoznawstwo określi przyszłość cywilizacji ludzkiej?

Jedną z niezwykłych cech rewolucji mikroelektronicznej jest jej zdolność do skalowania, opisana w prawie Moore'a. Doprowadziło to do szybkiego i ogromnego wzrostu mocy obliczeniowej — dzisiejsze smartfony z najwyższej półki mają moc obliczeniową równą najpotężniejszym superkomputerom na świecie z początku lat 90. XX wieku. Smartfony jutra będą jeszcze mocniejsze.

Ale jest problem. W miarę upowszechniania się potężnych komputerów zwiększa się ilość zużywanej przez nie energii. Jeśli prawo wykładnicze Moore'a będzie kontynuowane, urządzenia elektroniczne pochłoną ponad połowę budżetu energetycznego planety w ciągu kilku dekad.

To wyraźnie nie do utrzymania. Więc co robić?

Ferroelektryczna struktura domenowa manganianu erbu.

Dziś otrzymujemy odpowiedź od Nicola Spaldin, materiałoznawcy z ETH Zurich w Szwajcarii. Spaldin przekonuje, że naukowcy zajmujący się materiałami mogą uratować planetę, a ich rozwiązanie będzie miało postać fundamentalnego przełomu, który zmieni sposób, w jaki myślimy o technologii informacyjnej i sposobie, w jaki z niej korzystamy. Przedstawia argumentację – i wskazuje jedną lub dwie potencjalne drogi tego przełomu – w bardzo zabawnym artykule.

Spaldin zaczyna od pokazania, w jaki sposób cywilizacja ludzka została ukształtowana przez przełomy w materiałoznawstwie. Odkrycie materiałów kompozytowych, takich jak włókno i żywica, umożliwiło ludziom mocowanie ostrzy do patyków, aby tworzyć noże i siekiery.

Niezwykłe odkrycie technik wytapiania, prawdopodobnie w piecach garncarskich z epoki kamienia, doprowadziło do epoki brązu i żelaza. To spowodowało radykalne zmiany w rolnictwie i doprowadziło do powstania miast, a nawet krajów. Technologia metalu doprowadziła również do ważnych zmian w technologii broni i ostatecznie, około 4000 lat później, do rewolucji przemysłowej.

Później odkrycie elektronu doprowadziło do opracowania lampy próżniowej, tranzystora półprzewodnikowego i ogólnie do mikroelektroniki. Ultraczysty krzem wymagany w nowoczesnej elektronice został początkowo opracowany dla odbiorników radarowych wysokiej częstotliwości w czasie II wojny światowej.

Każdy z tych przełomów w materiałoznawstwie zmienił świat i sposób, w jaki wchodzimy z nim w interakcję. Ale żaden z nich nie był planowany, a wiele z poprzedniego sposobu życia zostało utraconych, gdy nastąpiły te zmiany.

Spaldin twierdzi, że coś podobnego będzie potrzebne, aby przezwyciężyć załamanie energii krzemu. Nie możemy kontynuować z krzemem, więc co go zastąpi?

Jedna z możliwości może pochodzić z własnych badań Spaldina nad multiferroikami — materiałami, które mają zarówno właściwości ferroelektryczne, jak i ferromagnetyczne. Zwykle jedynym sposobem zmiany właściwości magnetycznych materiału jest pole magnetyczne. Ale Spaldin i inni pokazali, jak zmienić właściwości magnetyczne multiferroików za pomocą pól elektrycznych.

Ma to znaczące implikacje. Duża część przetwarzania i przechowywania informacji na bazie krzemu opiera się na właściwościach magnetycznych, którymi trzeba manipulować za pomocą pól magnetycznych. Zdolność do robienia tego skuteczniej za pomocą pól elektrycznych jest potencjalnie transformująca. Zastąpienie pól magnetycznych w naszych istniejących technologiach opartych na magnetyzmie polami elektrycznymi daje ogromne możliwości oszczędności energii, miniaturyzacji i wydajności, mówi.

Multiferroiki mają inne użyteczne właściwości. Wewnątrz tych materiałów dipole ferroelektryczne mogą ustawiać się w szeregu w różnych orientacjach. Interesujące okazują się dipole, które są wyrównane z regionów zwanych domenami i granicami między tymi domenami.

Spaldin twierdzi, że te granice tworzą kanały przewodzące, które można przesuwać i przestawiać za pomocą pól elektrycznych. Ma to potencjalne zastosowanie w nowatorskich architekturach pamięci lub przetwarzania informacji, mówi.

Powierzchnia tych materiałów multiferroicznych ma również ciekawe właściwości elektroniczne, którymi można manipulować w celu katalizowania reakcji, takich jak rozszczepianie wody.

Nasze nowe materiały multiferroiczne są gotowe do wprowadzenia nowych paradygmatów urządzeń, a co za tym idzie, całkowicie nowych sposobów projektowania technologii, mówi. Może wkraczamy w nową erę multiferroics?

Zniknie nasza zależność od krzemu, a zamiast tego będziemy zależni od przemysłu produkującego manganian erbu lub manganianu itru lub ferrytu bizmutu oraz nowej generacji wysoce energooszczędnych urządzeń do przetwarzania informacji.

Spaldin nie wstrzymuje oddechu. Istnieje wiele czynników, które determinują przyszłość technologii i nie ma możliwości przewidzenia, jak się potoczą. Multiferroics to jedna z możliwości, ale z pewnością jest wiele innych.

I to jest jej główny punkt. Ta historia wyraźnie pokazuje, że długoterminowa przyszłość nigdy nie jest prostą ekstrapolacją teraźniejszości. Zamiast tego przełomowe pomysły zmieniają świat. A kluczem jest stworzenie środowiska, w którym takie zakłócenia mogą mieć miejsce.

Pomysł, że naukowcy zajmujący się materiałami stworzą tę rewolucję, jest jednak nieco żartobliwy. Oczywiście to fizycy będą wykonywać ważną pracę (kaszel).

Swój argument kończy żarliwą apelem do rządów, agencji finansujących i administratorów uczelni.

„Prawdziwe przełomy, które zmienią bieg historii, nie będą pochodziły z inicjatyw mających na celu ulepszenie istniejących materiałów lub urządzeń czy postępu technologii, które już zostały zidentyfikowane” – mówi. Zamiast tego będą pochodzić od niekonwencjonalnych osób lub małych zespołów fundamentalistów przesuwających granice wiedzy w kierunkach, dla których nie ma jeszcze zastosowania.

Innymi słowy, badania podstawowe zwrócą się w srebrnych dolarach — jeśli będą starannie pielęgnowane.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1708.01325 : Podstawowe Badania Materiałowe i Przebieg Cywilizacji Człowieka

ukryć