Five more minutes and I’m all yours

Five more minutes and I’m all yours, Mr. Antsy.”BUY THE PRINT »
There’s a problem, though. Semiconductors, such as silicon, are defined by their ability to turn on and off in the presence of an electric field; in logic chips, that switching process generates the ones and the zeros that are the language of computers. Graphene, a semi-metal, cannot be turned off. At first, engineers believed that they could dope graphene to open up a “band gap,” the electrical property that allows semiconductors to act as switches. But, ten years after Geim and Novoselov’s paper, no one has succeeded in opening a gap wide enough. “You’d have to change it so much that it’s no longer graphene,” Tour said. Indeed, those who have managed to create such a gap learned that it kills the mobility, rendering graphene no better than the materials we use now. The result has been a certain dampening of the mood at semiconductor companies.
I recently visited the Thomas J. Watson Research Center, the main R. & D. lab for I.B.M., a major fabricator of silicon semiconductor chips. A half hour north of New York City, the center is housed in a building designed by Eero Saarinen, in 1961. A vast arc of glass with an upswept front awning, it is a kind of monument to the difficulty of predicting the future. Saarinen imagined that transformative ideas would emerge from groups of scientists working in meeting areas, where recliners and coffee tables still sit beside soaring windows. Instead, the scientists spend much of the day hunched over computer screens in their offices: small, windowless dens, which seem to have been created as an afterthought.
In one cramped office, I met Supratik Guha, who is the director of physical sciences at I.B.M. and who sets the company’s strategy for worldwide research. A thoughtful man, as precisely understated as Tour is effusive, Guha lamented the “excessive hype” that has surrounded graphene as a replacement for silicon, and talked mournfully about how the effort to introduce a band gap is, at best, “one major innovation away.” He hastened to add that I.B.M. has not written off graphene. In early 2014, the company announced that its researchers had built the first graphene-based integrated circuit for wireless devices, which could lead to cheaper, more efficient cell phones. But in the quest to make graphene a replacement for silicon, Guha admits, they hold little hope.
For now, I.B.M.’s focus remains the single-walled carbon nanotube, which was developed at Rice by Tour’s mentor and predecessor, Rick Smalley. In the eighties, Smalley and his colleagues discovered that molecules of carbon atoms arrange themselves in a variety of shapes; some were spheres (which he called “buckyballs,” for their resemblance to Buckminster Fuller’s geodesic domes) and others were tubes. When the researchers found that the tubes can act as semiconductors, the material was immediately suggested as a potential replacement for silicon. Along with his collaborators, Smalley was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1996, and he persuaded Rice to build the multimillion-dollar nanotechnology center that Tour later took over. Yet carbon nanotubes have resisted easy exploitation. They have the necessary band gap, but building a chip with them entails maneuvering billions of minute objects into precise locations—a difficulty that has bedevilled scientists for almost two decades. Without quite admitting that he has lost interest in carbon nanotubes, Tour told me that they “never really commercialized well.”
At I.B.M., which has invested more than a decade of research and tens of millions of dollars in the material, there is great reluctance to admit defeat. Guha introduced me to George Tulevski, who helps lead I.B.M.’s carbon-nanotube research program. When I mentioned graphene, he evinced the defensiveness that might be expected of a scientist who has devoted nearly ten years to one recalcitrant technology only to be told about a glamorous new one. “Devices have to turn on and off,” Tulevski said. “If it doesn’t turn off, it just consumes way too much power. There’s no way to turn graphene off. So those electrons are going superfast, and that’s great—but you can’t turn the device off.”
Cyrus Mody, the historian, is equally cautious. “This idea that there’s a form of microelectronics that is theoretically much, much faster than conventional silicon is not new,” he told me. He points to the precedent of the Josephson-junction circuit. In 1962, the British physicist Brian David Josephson predicted that electricity would flow at unprecedented speeds through a circuit composed of two superconductors separated by a “weak link” material. The insight led to a Nobel Prize in Physics—and to dreams of exponentially faster electronics.
“A lot of people thought we’d be switching over to superconducting Josephson-junction microelectronics soon,” Mody said. “But when you actually get down to manufacturing a complex circuit with lots and lots and lots of logic gates, and making lots and lots of such circuits with very large yields, the manufacturing problems really make it impossible to keep going. And I think that’s going to be the hurdle that people haven’t really considered enough when they talk about graphene.”
But other scientists argue that the obstacle is not graphene’s physical properties. “The semiconductor industry knows how to introduce a band gap,” Amanda Barnard, a theoretical physicist who heads Australia’s Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, told me. The problem is business: “We’ve got a global investment on the order of trillions of dollars in silicon, and we’re not going to walk away from that. Initially, graphene needs to work with silicon—it needs to work in our existing factories and production lines and research capabilities—and then we’ll get some momentum going.”
Tour has little sympathy for the semiconductor industry’s disappointment with graphene. “I.B.M. is all bummed out because they’re single-minded,” he said. “They’ve got to make computers—and they’ve got Moore’s Law. But that’s their own fault! What other industry has challenged itself with doubling its performance every eighteen months? In the chemical industry, if we can get a one-per-cent-higher yield in a year we think we’ve done pretty well.”
Perhaps the most expansive thinker about the material’s potential is Tomas Palacios, a Spanish scientist who runs the Center for Graphene Devices and 2D Systems, at M.I.T. Rather than using graphene to improve existing applications, as Tour’s lab mostly does, Palacios is trying to build devices for a future world.
At thirty-six, Palacios has an undergraduate’s reedy build and a gentle way of speaking that makes wildly ambitious notions seem plausible. As an electrical engineer, he aspires to “ubiquitous electronics,” increasing “by a factor of one hundred” the number of electronic devices in our lives. From the perspective of his lab, the world would be greatly enhanced if every object, from windows to coffee cups, paper currency, and shoes, were embedded with energy harvesters, sensors, and light-emitting diodes, which allowed them to cheaply collect and transmit information. “Basically, everything around us will be able to convert itself into a display on demand,” he told me, when I visited him recently. Palacios says that graphene could make all this possible; first, though, it must be integrated into those coffee cups and shoes.
As Mody pointed out, radical innovation often has to wait for the right environment. “It’s less about a disruptive technology and more about moments when the linkages among a set of technologies reach a point where it’s feasible for them to change lots of practices,” he said. “Steam engines had been around a long time before they became really disruptive. What needed to happen were changes in other parts of the economy, other technologies linking up with the steam engine to make it more efficient and desirable.”
For Palacios, the crucial technological complement is an advance in 3-D printing. In his lab, four students were developing an early prototype of a printer that would allow them to create graphene-based objects with electrical “intelligence” built into them. Along with Marco de Fazio, a scientist from STMicrolectronics, a firm that manufactures ink-jet print heads, they were clustered around a small, half-built device that looked a little like a Tinkertoy contraption on a mirrored base. “We just got the printer a couple of weeks ago,” Maddy Aby, a ponytailed master’s student, said. “It came with a kit. We need to add all the electronics.” She pointed to a nozzle lying on the table. “This just shoots plastic now, but Marco gave us these print heads that will print the graphene and other types of inks.”
The group’s members were pondering how to integrate graphene into the objects they print. They might mix the material into plastic or simply print it onto the surface of existing objects. There were still formidable hurdles. The researchers had figured out how to turn graphene into a liquid—no easy task, since the material is severely hydrophobic, which means that it clumps up and clogs the print heads. They needed to first convert graphene to graphene oxide, adding groups of oxygen and hydrogen molecules, but this process negates its electrical properties. So once they printed the object they would have to heat it with a laser. “When you heat it up,” Aby said, “you burn off those groups and reduce it back to graphene.”
When that might be possible was uncertain; she hoped to have the device working in three months. “The laser needs more approval from the powers that be,” she said, glancing balefully at the printer’s mirrored base—the kind perfect for bouncing laser beams all over a room. De Fazio suggested that they cover it with a silicon wafer.
“That could work,” Aby sa

Kết quả (Việt) 2:

Năm phút nữa và tôi là tất cả các bạn, ông antsy. "MUA THE PRINT»
Có một vấn đề, ​​mặc dù. Chất bán dẫn, chẳng hạn như silicon, được xác định bởi khả năng của họ để bật và tắt trong sự hiện diện của một điện trường; trong chip logic, rằng quá trình chuyển đổi tạo ra những người thân và số không đó là ngôn ngữ của máy tính. Graphene, một bán kim loại, không thể tắt. Lúc đầu, các kỹ sư tin rằng họ có thể dope graphene để mở ra một "khoảng cách ban nhạc," tài sản điện cho phép bán dẫn hoạt động như thiết bị chuyển mạch. Nhưng, mười năm sau khi Geim và Novoselov của giấy, không có ai thành công trong việc mở một khoảng trống đủ rộng. "Bạn sẽ phải thay đổi nó rất nhiều mà nó không còn là graphene," Tour cho biết. Thật vậy, những người đã quản lý để tạo ra một khoảng cách như vậy biết được rằng nó giết chết di động, khiến graphene không tốt hơn so với các tài liệu chúng tôi sử dụng bây giờ. Kết quả đã được một giảm chấn nào đó của tâm trạng tại các công ty bán dẫn.
Gần đây tôi đã đến thăm Trung tâm J. Thomas Watson Research, R. & D. phòng thí nghiệm chính cho IBM, một nhà chế tạo chính của chip bán dẫn silicon. Một giờ nửa phía bắc của thành phố New York, trung tâm được đặt trong một tòa nhà được thiết kế bởi Eero Saarinen, vào năm 1961. Một vòng cung rộng lớn của thủy tinh với một mái hiên upswept phía trước, nó là một loại tượng đài cho sự khó khăn của việc dự đoán tương lai. Saarinen tưởng tượng rằng những ý tưởng biến đổi sẽ nổi lên từ nhóm các nhà khoa học làm việc trong khu vực họp, nơi chiếc ghế tựa và bàn cà phê vẫn ngồi bên cạnh cửa sổ tăng vọt. Thay vào đó, các nhà khoa học dành nhiều ngày gập người trên màn hình máy tính trong văn phòng của họ. Nhỏ, ổ nhóm có cửa sổ, mà dường như đã được tạo ra như là một suy nghĩ
Trong một văn phòng chật chội, tôi gặp Supratik Guha, là người giám đốc của khoa học vật lý tại IBM và những người lập chiến lược của công ty nghiên cứu trên toàn thế giới. Một người đàn ông chu đáo, như understated chính xác như Tour là dạt dào tình cảm, Guha than phiền rằng "cường điệu quá mức" mà đã được bao quanh graphene là một sự thay thế cho silicon, và nói chuyện thê thảm về cách nỗ lực để giới thiệu một khoảng cách ban nhạc là lúc tốt nhất, "một sự đổi mới lớn đi. "Anh ta vội vã thêm rằng IBM đã không được viết tắt graphene. Trong đầu năm 2014, công ty thông báo rằng các nhà nghiên cứu của mình đã xây dựng các mạch tích hợp graphene đầu tiên dựa trên các thiết bị không dây, có thể dẫn đến rẻ, điện thoại di động hiệu quả hơn. Nhưng trong cuộc tìm kiếm để tạo ra graphene là một thay thế cho silicon, Guha thừa nhận, họ nắm giữ ít hy vọng.
Hiện tại, IBM tập trung vẫn còn ống nano carbon đơn vách, mà đã được phát triển tại Rice bởi người thầy và người tiền nhiệm của tour, Rick Smalley. Trong thập niên tám mươi, Smalley và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra rằng các phân tử của các nguyên tử carbon tự sắp xếp chúng trong một loạt các hình dạng; một số là lĩnh vực (mà ông gọi là "buckyball", cho sự giống nhau của họ để mái vòm Buckminster Fuller) và những người khác là ống. Khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các ống có thể đóng vai trò như chất bán dẫn, vật liệu ngay lập tức được đề xuất như là một sự thay thế tiềm năng cho silicon. Cùng với các cộng sự của ông, Smalley đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1996, và ông đã thuyết phục Rice để xây dựng trung tâm công nghệ nano hàng triệu đô la mà Tour sau đó đã qua. Tuy nhiên, các ống nano carbon đã chống khai thác dễ dàng. Họ có khoảng cách ban nhạc cần thiết, nhưng việc xây dựng một chip với đó đòi hỏi vận động tỷ của các đối tượng phút vào địa-chính xác một khó khăn mà các nhà khoa học đã bedeviled trong gần hai thập kỷ. Nếu không có khá thừa nhận rằng anh đã giảm lãi suất trong ống nano carbon, Tour nói với tôi rằng họ "không bao giờ thực sự thương mại hóa tốt."
Tại IBM, trong đó đã đầu tư hơn một thập kỷ nghiên cứu và hàng chục triệu đô la trong vật liệu, có miễn cưỡng phải thừa nhận thất bại. Guha giới thiệu tôi với George Tulevski, người giúp dẫn chương trình nghiên cứu carbon-nano của IBM. Khi tôi đề cập graphene, ông chứng tỏ sự phòng vệ có thể được dự kiến của một nhà khoa học đã cống hiến gần mười năm để chỉ một công nghệ ngoan để được thông báo về một cái mới quyến rũ. "Thiết bị phải bật và tắt," Tulevski nói. "Nếu nó không tắt, nó chỉ tiêu thụ quá nhiều quyền lực. Không có cách nào để biến graphene ra. Vì vậy, các electron đó đi siêu nhanh, và điều đó thật tuyệt-nhưng bạn không thể tắt máy.
"Cyrus Mody, các nhà sử học, cũng không kém phần thận trọng. "Ý tưởng này rằng có một hình thức vi điện tử mà là về mặt lý thuyết nhiều, nhanh hơn nhiều so với silicon thông thường không phải là mới," ông nói với tôi. Ông chỉ ra những tiền lệ của các mạch Josephson ngã ba. Năm 1962, nhà vật lí người Anh Brian David Josephson dự đoán rằng điện sẽ chảy với tốc độ chưa từng thấy qua một mạch gồm hai chất siêu dẫn ngăn cách bởi một "mắt xích yếu" vật chất. Những cái nhìn sâu sắc dẫn đến một giải thưởng Nobel về Vật lý và những giấc mơ của thiết bị điện tử theo cấp số nhân nhanh hơn.
"Rất nhiều người nghĩ rằng chúng tôi sẽ được chuyển đổi sang siêu vi điện tử Josephson ngã ba sớm," Mody nói. "Nhưng khi bạn thực sự bắt tay vào sản xuất một mạch phức tạp với rất nhiều và rất nhiều và rất nhiều các cổng logic, và làm cho rất nhiều và rất nhiều mạch như vậy với sản lượng rất lớn, các vấn đề sản xuất thực sự làm cho nó không thể tiếp tục đi. Và tôi nghĩ rằng sẽ là rào cản mà mọi người chưa thực sự được coi là đủ khi họ nói về graphene.
"Nhưng các nhà khoa học khác lập luận rằng trở ngại không phải là tính chất vật lý của graphene. "Ngành công nghiệp bán dẫn biết làm thế nào để giới thiệu một khoảng cách ban nhạc," Amanda Barnard, một nhà vật lý lý thuyết người đứng đầu của Australia Commonwealth Scientific và Tổ chức Nghiên cứu Công nghiệp, nói với tôi. Vấn đề là doanh nghiệp: "Chúng tôi đã có một sự đầu tư toàn cầu vào thứ tự của hàng nghìn tỷ USD trong silicon, và chúng tôi sẽ không bỏ đi từ đó. Ban đầu, graphene cần làm việc với silicon-nó cần để làm việc trong các nhà máy hiện có của chúng tôi và dây chuyền sản xuất và nghiên cứu khả năng và sau đó chúng ta sẽ nhận được một số đà đi.
"Tour có mấy cảm tình với sự thất vọng của ngành công nghiệp bán dẫn với graphene. "IBM là tất cả rất thất vọng vì họ óc duy nhất," ông nói. "Chúng ta phải làm cho máy tính và họ đã có luật Moore. Nhưng đó là lỗi của riêng mình! Những gì ngành công nghiệp khác đã thách thức bản thân với tăng gấp đôi hiệu quả của nó mỗi mười tám tháng? Trong ngành công nghiệp hóa chất, nếu chúng ta có thể có được một hình-per-xu-cao năng suất trong một năm, chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi đã thực hiện khá tốt. "Có lẽ các nhà tư tưởng rộng lớn nhất về tiềm năng của vật liệu là Tomas Palacios, một nhà khoa học Tây Ban Nha người điều hành Trung tâm Thiết bị Graphene và hệ thống 2D, tại MIT Thay vì sử dụng graphene để cải thiện các ứng dụng hiện có, như phòng thí nghiệm của tour chủ yếu là không có gì, Palacios đang cố gắng để xây dựng các thiết bị cho một thế giới tương lai. Ở tuổi ba mươi sáu, Palacios có build mảnh khảnh của một đại học và một cách nhẹ nhàng cách nói mà làm cho quan niệm cực kỳ tham vọng vẻ hợp lý. Là một kỹ sư điện, ông mong muốn "thiết bị điện tử ở khắp mọi nơi," tăng "bởi một yếu tố của một trăm" số lượng các thiết bị điện tử trong cuộc sống của chúng tôi. Từ góc nhìn của phòng thí nghiệm của mình, thế giới sẽ được tăng cường rất nhiều nếu mọi đối tượng, từ cửa sổ cho ly cà phê, tiền giấy, và giày, được nhúng với thu hoạch năng lượng, cảm biến, và điốt phát sáng, cho phép họ với giá rẻ thu thập và truyền tải thông tin. "Về cơ bản, tất cả mọi thứ xung quanh chúng ta sẽ có thể tự biến đổi thành một màn hình hiển thị theo yêu cầu," ông nói với tôi, khi tôi đến thăm ông gần đây. Palacios nói rằng graphene có thể làm tất cả điều này có thể; đầu tiên, tuy nhiên, nó phải được tích hợp vào những ly cà phê và giày. Như Mody chỉ ra, sự đổi mới triệt để thường phải chờ đợi cho các môi trường thích hợp. "Đó là ít hơn về một công nghệ đột phá và nhiều hơn nữa về những khoảnh khắc khi các mối liên kết giữa một tập hợp các công nghệ đạt đến một điểm mà nó khả thi để họ thay đổi rất nhiều thực hành," ông nói. "Động cơ hơi nước đã được khoảng một thời gian dài trước khi họ trở nên thực sự đột phá. Những gì cần thiết để xảy ra những thay đổi ở các bộ phận khác của nền kinh tế, các công nghệ khác liên kết với động cơ hơi nước để làm cho nó hiệu quả hơn và mong muốn. "Đối với Palacios, sự bổ sung công nghệ rất quan trọng là một bước tiến trong 3-D in ấn. Trong phòng thí nghiệm của ông, bốn sinh viên đã phát triển một nguyên mẫu ban đầu của một máy in mà sẽ cho phép họ tạo ra các đối tượng dựa trên graphene với điện "thông minh" được xây dựng vào chúng. Cùng với Marco de Fazio, một nhà khoa học từ STMicrolectronics, một công ty sản xuất mực in phun đầu in, họ đã được nhóm quanh một nửa được xây dựng thiết bị nhỏ mà nhìn một chút giống như một contraption Tinkertoy trên một cơ sở được nhân đôi. "Chúng tôi chỉ có máy in một vài tuần trước đây," Maddy Aby, sinh viên một bậc thầy ponytailed, cho biết. "Nó đi kèm với một bộ. Chúng tôi cần thêm tất cả các thiết bị điện tử. "Cô chỉ vào một vòi phun nằm trên bàn. "Đây chỉ là bắn nhựa bây giờ, nhưng Marco đã cho chúng tôi những người đứng đầu của máy in sẽ in ra graphene và các loại mực." Các thành viên của nhóm được cân nhắc làm thế nào để tích hợp graphene vào các đối tượng họ in. Họ có thể pha trộn các nguyên liệu thành nhựa hoặc đơn giản là in nó lên bề mặt của đối tượng hiện có. Vẫn còn rào cản đáng gờm. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để biến graphene thành một-không có chất lỏng nhiệm vụ dễ dàng, từ các vật liệu kỵ nước nghiêm trọng, có nghĩa là nó khối lên và bịt đầu in. Họ cần phải đầu tiên chuyển đổi graphene để graphene oxide, thêm các nhóm của các phân tử oxy và hydro, nhưng quá trình này phủ nhận tính chất điện của nó. Vì vậy, một khi họ in các đối tượng họ sẽ phải đun nóng bằng tia laser. "Khi bạn đun nóng lên," Aby nói, "bạn đốt cháy các nhóm và làm giảm nó trở lại graphene." Khi đó có thể là có thể là không chắc chắn; cô hy vọng sẽ có các thiết bị làm việc trong ba tháng. "Các laser cần sự chấp thuận nhiều hơn từ các quyền hạn mà có," cô nói, liếc balefully ở nhà in được nhân đôi cơ số các loại hoàn hảo cho nảy chùm laser qua tất cả các phòng. De Fazio cho rằng họ che lại bằng một tấm wafer silicon. "Điều đó có thể làm việc," Aby sa