Hiili syrjäyttää piin
Kellotaajuuksien kasvu on hidastunut ja piin rajat lähestyvät. Sen korvaajaksi kaavaillaan yhden atomikerroksen paksuista materiaalia, jolla on huikeita ominaisuuksia.
Nanotekniikassa ovat arkipäivää hiilinanoputket, joissa hiili on sitoutunut vain toisiin hiiliatomeihin. Kun tällainen putki halkaistaan, saadaan grafeenia, joka on vain yhden atomikerroksen paksuista levyä. Teoriassa grafeeni on tunnettu pitkään, mutta sitä ei uskottu käytännössä esiintyvän, kunnes se löydettiin vuonna 2004.
Aine on tavallaan ollut tutkijoiden hyppysissä jo vuosisatoja. Lyijykynistä tuttu grafiitti nimittäin koostuu miljoonista grafeenikalvoista, jotka ovat kytkeytyneet heikoilla sidoksilla toisiinsa.
Pieniä määriä grafeenia voikin valmistaa kotikonstein raaputtamalla lyijykynän grafiitista ohuita hiutaleita. Repimällä näitä teipin avulla yhä ohuemmaksi voi mikroskoopin avulla lopulta löytyä hitunen grafeenia. Menetelmä ei kuitenkaan sovellu massatuotantoon, koska sillä saatavat palat ovat pieniä ja niiden saanto on heikko.
Lisäksi yksikerroksisen grafeenin etsiminen lastujen joukosta on työläämpää kuin kullanhuuhdonta.
Englantilainen yritys Graphene Industries myy hiutaleita noin euron hintaan neliömikrometriltä.
Paras sähkönjohde
Grafeenissa kukin hiiliatomi on sitoutunut kanaverkkomaisesti kolmeen muuhun hiiliatomiin. Hiilellä niin kutsuttuja valenssielektroneja on neljä, joten yksi jää vapaaksi kuljettamaan sähköä. Näiden liikkuvuus on huoneenlämmössä suurempi kuin minkään muun tunnetun aineen: elektronit kulkevat lähes ilman vastusta miljoonan metrin sekuntivauhtia.
Lukuisat tutkijaryhmät etsivät menetelmiä, joilla voitaisiin valmistaa suurempia grafeenipintoja. On vain ajan kysymys, milloin piikiekon kokoinen ala saadaan pinnoitettua. Grafeenin kuviointi onnistuu sirutehtaiden nykyisillä tekniikoilla, joten ensimmäisenä grafeenin tieltä väistyy johteena käytetty kupari. Sen vastus nimittäin kasvaa voimakkaasti, kun johtimien leveys kutistuu alle 20 nanometrin. Sähkön lisäksi grafeeni johtaa kuparia paremmin myös hukkalämpöä.
Grafeeni on ohuin mahdollinen materiaali ja siksi myös erittäin kevyt. Yhdellä grammalla peittäisi jalkapallokentän kokoisen alueen. Johtavuus ja suuri pinta-ala tekevät siitä oivan materiaalin superkondensaattoreihin eli komponentteihin, joilla voidaan nopeasti varastoida ja purkaa sähköä. Käyttökohteiksi on kaavailtu esimerkiksi autojen jarruenergian talteenottoa sekä aurinko- ja tuulienergian tuotantovaihteluiden tasaamista.
Terahertsien kellotaajuuksiin
Tietokoneiden teho on viime vuosikymmeninä noin kymmenkertaistunut joka neljäs vuosi. Kehitys uhkaa hidastua, koska piin fysikaaliset rajat tulevat vastaan. Teoreettiset mallit ovat antaneet viitteitä siitä, että grafeenista voitaisiin rakentaa transistoreja, jotka ovat jopa tuhat kertaa nopeampia kuin piistä valmistetut. Niiden myötä toteutuisivat esimerkiksi kannettavat supertietokoneet.
Yhden atomikerroksen paksuinen grafeeni voi toimia puolijohteena, mutta perinteiseen elektroniikkaan se ei sovellu, koska liitos vuotaa virtaa ja tuottaa siksi lämpöä. Laboratorioissa on kuitenkin kehitetty useita ratkaisuja ongelmaan. Vuotamaton transistori saadaan muun muassa kahdesta grafeenikerroksesta, joiden välistä elektronien liikettä säädetään magneettikentällä.
Myös yhden atomikerroksen grafeenista saa puolijohtavan tekemällä siitä alle kymmenen nanometrin levyisen nauhan. Näin on valmistettu maailman pienin transistori.
Tutkijat arvioivat, että grafeenikomponenttien massatuotantoon ylletään vuoden 2020 paikkeilla, mutta käsityönä on jo valmistettu kymmeniä transistoreita. Esimerkiksi IBM:n tutkijat ovat kehittäneet 26 gigahertsin taajuudella toimivan transistorin, jonka rakennetta optimoimalla voidaan yltää jopa terahertsien taajuuksiin.
Uuden tekniikan ensimmäiset sovellukset nähtäneen radiotekniikassa ja lentokenttien turvalaitteissa. Terahertsiaallot läpäisevät vaatteet ja kykenevät erottamaan piilotetut ja jopa niellyt räjähdekemikaalit ja aseet. Näissä sovelluksissa ei tarvita massatuotannon etuja, vaan materiaali voidaan tuottaa vaikka käsityönä repimällä.
Timanttikin jää toiseksi
Hiilestä rakentunut timantti on vahvimpia aineita, mutta häviää grafeenille. Ohut grafeenikalvo kestää auton painon kynänkärjen kokoisella alueella. Materiaali on 200 kertaa kestävämpää kuin rakenneteräs. Ohuutensa ansiosta grafeeni on myös taipuisaa ja läpikuultavaa.
Grafeenista valmistettu aurinkokenno voitaisiin laminoida aaltopeltikaton pintaan, jossa se kestävyytensä ansiosta säilyttäisi ominaisuutensa kymmeniä vuosia.
Läpinäkyvä elektroniikka sopii myös auton laseihin ja peileihin. Tämä viitoittaa tietä tekniikkaan, jolla voidaan toteuttaa pesunkestäviä älyvaatteita, taiteltavia näyttöjä ja jopa eläviin kudoksiin yhdistettyjä laitteita.
Maantiekiitäjä on edelleen nopein
Uusimman supertietokoneiden listan kärjessä on edelleen yhdysvaltalaiseen Los Alamosin tutkimuslaboratorioon sijoitettu IBM Bladecenter QS22 nimeltään Roadrunner. Vuosi sitten se ylitti ensimmäisenä tietokoneena petaflopin (miljoona miljardia liukulukulaskua sekunnissa) rajan. Nyt ykköspaikka heltisi 1,1 petaflopilla.
Huipulla kuitenkin tuulee. Arvioiden mukaan vuonna 2015 alle petaflopilla ei päästä edes top 500 -listalle. Kannettavien mikrojen terhakkaimmat seuraavat listan häntää kahdeksan vuoden viiveellä. Tätä menoa tehokkain salkuntäyte laskee vuonna 2023 yhtä vauhdikkaasti kuin Roadrunner nyt.
Roadrunnerin jälkeen listan valtiaaksi ennakoidaan IBM:n Sequola-järjestelmää, joka asennetaan Lawrence Livermoorin laskentakeskukseen vuonna 2011. Vuonna 2012 sen 1,6 miljoonaan Powerpc-suorittimen lasketaan tuottavan 20 petaflopin laskentatehon.
Superkoneiden suorituskyky on tuhatkertaistunut joka 11. vuosi, joten eksaflopin raja rikkoontunee vuonna 2019.
Kännykkä valvoo ajotapaa
Euroopan unioni asetti viisi vuotta sitten tavoitteeksi vähentää liikenneonnettomuuksien määrää reippaasti. Tulokset ovat olleet laihoja. Autoilijat ulosmittaavat autojen ja teiden parantuneen turvallisuuden ajamalla entistä vaarallisemmin.
Malagan yliopiston tutkijat ovat kehittäneet ohjelman, joka käyttää gps-paikannuksella ja kiihtyvyysanturilla varustettua puhelinta tiedonkeruulaitteena. Ajon aikana kerätyt tiedot voidaan jälkeenpäin analysoida tietokoneella ja selvittää riskialttiit tilanteet. Analyysin tulokset voidaan esittää esimerkiksi Googlen karttapohjalla.
Autoilijoiden kouluttamisen lisäksi nimettöminä lähetetyt aineistot auttavat liikennesuunnittelijoita paikantamaan mahdollisia vaaranpaikkoja, jolloin ne voidaan varustaa varoitusmerkeillä tai korjata turvallisemmiksi.
Myös vakuutusyhtiöt voivat olla kiinnostuneita tiedoista, joiden avulla ne voisivat palkita rauhallisesti ajavia ja rokottaa kaahailijoita.
Automaattipaikannus ei innosta
Ihmiset vieroksuvat vaikeasti hallittavia automaattisia paikkatietopalveluita kännyköissä ja internetissä. Tietotekniikan tutkimuslaitos HIITin tutkijat havaitsivat, että palveluja käytetään vain, jos niitä voi itse hallita.
Tutkimuksen mukaan monet välttävät oman sijaintinsa kertomista ystäville, koska he eivät halua paljastaa kavereilleen kaikkea tai pelkäävät automaation antavan väärää tietoa. Järjestelmä voi esimerkiksi kertoa henkilön olevan baarissa, vaikka hän olisikin samassa talossa olevassa kuntosalissa. Jos tietoa ei itse voi muuttaa, palvelua ei käytetä. Monille kavereiden tarkan sijainnin tietäminen oli myös yhdentekevää.
