Computer van koolstofnanobuis

Het vakgebied waarin ik werkzaam ben, de medische beeldvorming, heeft de geneeskunde ingrijpend veranderd. Beeldvormende technieken, zoals MRI en CT, zijn niet meer weg te denken uit de dagelijkse klinische praktijk. In het gehele diagnostische en therapeutische traject spelen ze een belangrijke rol: van screening-studies, zoals mammografie voor detectie van borstkanker, tot navigatie tijdens minimaal invasieve ingrepen, de TomTom voor chirurgen.

De revolutie van beeldvorming in de geneeskunde is te danken aan belangrijke wetenschappelijke en technologische doorbraken. Aan de huidige MRI-scanner liggen meerdere Nobelprijzen, zowel in de natuurkunde als in de geneeskunde, ten grondslag. Een college over de principes van een MRI-scanner is bijna een ode aan de natuurkunde, en daarmee een genot om te geven.

Toch kan, ook hier, de invloed van de siliciumrevolutie niet worden overschat. Om van het fysische basisprincipe, de interactie tussen een vorm van energie en weefsel van de patiënt, tot een 3D-beeld te komen, zijn vaak zware computationele technieken nodig. Het is aan de parallelle ontwikkeling van onder andere detectoren, reconstructietechnieken en de toegenomen rekenkracht van computers te danken dat de mogelijkheden van MRI- en CT-scanners spectaculair zijn toegenomen; sommige technische specificaties zijn zelfs zo snel toegenomen, dat ze de wet van Moore verslaan (de wet die zegt dat er elke twee jaar een verdubbeling optreedt).

Het einde van diezelfde wet van Moore is volgens de kenners echter in zicht. De miniaturisering van transistoren op de computerchip nadert zijn fysische grens. De locale warmte ontwikkeling wordt, bij verdere miniaturisering, simpelweg te groot.

Voor mij was het nieuws van 2013 dan ook de ontwikkeling van de eerste computer op basis van koolstofnanobuisjes (Max Shulaker et al. Nature 25/9/2013). Deze bestaan uit een opgerolde, enkele laag van koolstofatomen (grafeen), met een diameter van ongeveer 1 nanometer. In 1998 werd de eerste transistor gebouwd op basis van koolstofbuisjes. Deze heeft de potentie om de locale warmte ontwikkeling, t.o.v. de huidige chips, met meer dan een factor 10 te reduceren.

Het is echter een significante uitdaging om deze transistoren te combineren tot complexere elektronische circuits. Shulaker en zijn medewerkers ontwikkelden nieuwe technieken om transistoren van een koolstofnanobuis te produceren en ze met elkaar te verbinden. Hiermee creëerden ze de eerste koolstofnanobuis computer.

Deze computer kan nog niet veel: een subtractie van twee (kleine) getallen uitvoeren en getallen op grootte sorteren. Maar het proof of principleis er nu; en we weten wat er na het proof of principle met de huidige generaties computers is gebeurd!