Karen Kingston deckt Patente auf, die Spike-Proteinstrukturen mit „kognitiver Wirkung“ in Impfstoffen enthüllen

Kohlenstoffnanoröhren und Quantenpunkte: Die Armee denkt SEHR klein

Etwa 80 Prozent der Wissenschaftsfinanzierung der Armee unterstützen die Modernisierungsinitiative der Big Six des Dienstes – aber die 20 Prozent, die für langfristige Grundlagenforschung übrig bleiben, könnten die militärische und zivile Elektronik verändern.

Komplex des Armeeforschungslabors

WASHINGTON: Während der Rest der Armee an neuen Hyperschallraketen , robotischen Minipanzern und Ultrahochgeschwindigkeitshubschraubern arbeitet, taucht das Army Research Office tief in die submikroskopische Welt der Nanotechnologie und Quantenmechanik ein .

Das Militär ist sehr daran interessiert, die Kosten und Fähigkeiten seiner Elektronik zu verbessern, die in der modernen Kriegsführung genauso überlebenswichtig ist wie Waffen und Rüstungen. Aber wie beim Internet, Radar und anderen ursprünglich militärischen Technologien gibt es auch zivile Anwendungen.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Ein Projekt des Army Research Office zielt darauf ab, herkömmliche Halbleiter auf Siliziumbasis durch effizientere Kohlenstoffnanoröhren zu ersetzen, sagte mir Programmmanager Joe Qiu. Die neue Technologie ist besonders nützlich bei den sehr hohen Frequenzen (über 30 Gigahertz) und sehr kurzen Wellenlängen (Millimeterwellen), die die Telekommunikationsindustrie für 5G-Netze – auch auf Militärbasen – und für alles, was 5G ersetzt, verwenden möchte.

Kohlenstoff-Nanoröhren. (Foto der University of Virginia über die National Nanotechnology Initiative)

 

„Bei der anfänglichen Bereitstellung von 5G werden sie niedriger als sechs Gigahertz sein, aber es gibt Pläne … die Frequenzen auf 28 GHz und höher zu verbessern“, sagte Qiu. „Es ist nicht nur 5G – es geht über 5G hinaus.“

Wie schnell könnte der Privatsektor von den Vorteilen der ARO-finanzierten Forschung profitieren?

„Kommerzielle Nutzung von integrierten Schaltungen auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren? Vielleicht fünf Jahre“, sagte er und fügte lachend hinzu: „Das ist eine Schätzung. Halte mich nicht daran fest!“

Es kann lange dauern, bis diese Art von Forschung Früchte trägt, warnte Qiu. Die Finanzierung durch die Armee habe vor 10 Jahren tatsächlich dazu beigetragen, Kohlenstoffnanoröhren für die Elektronik ins Rollen zu bringen, sagte er, und es habe so lange gedauert, die Knicke auszuarbeiten.

Siegel des Army Research Office

Es wurde vor einem Jahrzehnt mathematisch bewiesen, dass Nanoröhren Elektrizität viel effizienter leiten können, sagte mir Qiu. Während Siliziumhalbleiter ein Gitter bilden, das Elektronen in alle Richtungen streuen lässt – stellen Sie sich den Verkehr in der Innenstadt vor, der sich durch ein Straßennetz bewegt – wirken Kohlenstoffnanoröhren im Wesentlichen wie eine Autobahn, die alle Elektronen in die gewünschte Richtung leitet. (Der Fachausdruck ist quantenballistischer Transport). Aber um tatsächlich genug Nanoröhren von gleichbleibender Größe und Qualität herzustellen und sie richtig auszurichten, waren Jahre weiterer Arbeit erforderlich, von denen ein Großteil von der Armee finanziert wurde.

Im vergangenen Jahr entwickelten die University of South California und das durch Risikokapital unterstützte Startup Carbonics Inc. im Rahmen eines Small Business Technology Transfer (STTR)-Stipendiums von ARO funktionierende Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistoren. Der nächste große Schritt besteht darin, viele Transistoren zusammen in eine tatsächliche Schaltung zu integrieren. Dann, sagte Qiu, könne man über die Integration vieler Schaltkreise sprechen, um tatsächliche Geräte zu bauen.

Das wäre eine Aufgabe für andere Teile der Armee. „Das Army Research Office, unsere Hauptaufgabe besteht eigentlich darin, in die Grundlagenforschung zu investieren“, betonte Qiu. ARO ist nur ein Teil des Army Research Laboratory , das wiederum Teil des Combat Capabilities Development Command (ehemals RDECOM) ist, das wiederum eine der drei Hauptkomponenten des Army Futures Command ist, das 2018 gegründet wurde , um alle Aspekte der Modernisierung zu koordinieren vom Brainstorming futuristischer Konzepte bis zum Einsatz neuer Geräte.

Bei ARO, sagte einer von Qius Kollegen, Joseph Myers, „sind wir hier eine Gruppe von Programmmanagern, die Grundlagenforschung unterstützen, [die] wahrscheinlich zu Fortschritten in einer Vielzahl verschiedener Technologien führen wird.“

Diagramm eines „Quantenpunkts“

Quantenpunkte

Während der in China geborene, in den USA ausgebildete Qiu ein Physiker, der zum Ingenieur und zum Programmmanager wurde, ist Myers Mathematiker und Leiter der Abteilung für mathematische Wissenschaften bei ARO – ein Gebiet, scherzt er, das notorisch von der weltlichen Realität getrennt ist. Die Kohlenstoffnanoröhren von Qiu sind nur einen Bruchteil der Größe eines einzelnen menschlichen Haares. Ihre Längen variieren stark, aber ihre Dicke beträgt typischerweise sechs Nanometer oder weniger. Myers finanziert die Forschung an Quantenpunkten, winzigen Halbleiterkristallen, deren längste Abmessung nicht mehr als sechs Nanometer beträgt , was bedeutet, dass sie möglicherweise in eine Nanoröhre passen könnten.

Extrem kleine Größe ermöglicht extrem feine Präzision. Wenn ein Quantenpunkt mit Energie versorgt wird, emittiert er immer eine ganz bestimmte Wellenlänge (welche Wellenlänge von der genauen Größe des Punkts abhängt). Sie geben diese genauen Frequenzen auch stärker und länger ab als herkömmliche Halbleiter. Einige Unternehmen verkaufen bereits High-End-„Quanten-LED“-Fernseher, die diese Eigenschaft nutzen, um lebendigere Farben zu erzeugen: Sie können sogar einen bei Best Buy bekommen .

Der Nachteil, fuhr Myers fort, sei, dass es viel schwieriger sei, Elektronik mit Quantenpunkten zu entwerfen . Klassische Modelle der Physik beginnen zu scheitern, wenn Sie beginnen, die seltsame Domäne der Quantenmechanik zu betreten, in der sich scheinbar feste Objekte in unscharfe Energiefelder verwandeln, die auf unvorhersehbare Weise pulsieren und springen können. Im Gegensatz zu herkömmlicher Elektronik, die elektrische Ladungen verwendet, um Einsen und Nullen darzustellen, „ist die Physik dessen, was vor sich geht, nicht mehr so ​​sauber wie Null/Eins“, sagte er. „Es hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit , eine Null zu sein, eine gewisse Wahrscheinlichkeit , eine Eins zu sein.“

Diese Wahrscheinlichkeiten unter Verwendung aktueller Techniken genau vorherzusagen , ist mühsam und langsam. „Wir kennen die Gleichungen weitgehend, aber die Gleichungen sind einfach zu schwer zu lösen, um sie genau zu lösen“, sagte Myers. „Wenn du das Alter des Universums hast … kannst du vielleicht eine der Berechnungen vervollständigen.“

„Sie wollen es in weniger als einem Menschenleben schaffen“, sagte er. „Sie möchten es in ein oder zwei Tagen oder in einer Woche oder so oder vielleicht sogar in ein paar Stunden schaffen.“

Wie viel Präzision können Sie also getrost aufgeben, um Ihre Ergebnisse schnell genug zu erhalten, um sie tatsächlich zu verwenden?

SMU-Forscher Wei Cai und sein Team.

Myers finanzierte die Arbeit von Professor Wei Cai von der Southern Methodist University , der eine rationalisierte Modellierungstechnik herausgefunden hat, indem er einen alten Air Force-Supercomputer verwendete, den Myers vor seiner Verschrottung an die SMU übertragen konnte. (Das Pentagon hat ein ständiges Programm zur Wiederverwendung von Hochleistungscomputern zur Modernisierung, um seine älteren Maschinen weiterzugeben.)

Einfach (sehr, sehr einfach) ausgedrückt: Cai hat herausgefunden, welche Teile der traditionellen Modelle dazu neigen, einen so geringen Einfluss auf das Endergebnis zu haben – etwa 0,000000001 Prozent –, dass Sie sie getrost ignorieren können. Dann können Sie nur die Berechnungen durchführen, die wirklich wichtig sind.

Cais Technik ist 750-mal schneller als konkurrierende Ansätze, sagte Myers stolz. In seiner jetzigen Form, warnte er, sei es immer noch in etwa 20 Prozent der Fälle falsch, aber Cai arbeite daran – er werde dieses Jahr wahrscheinlich weitere Mittel der Armee beantragen – und in der Zwischenzeit gebe es Möglichkeiten, die Ergebnisse noch einmal zu überprüfen .

Welche verbesserten Technologien könnten Sie mit Cais Modell entwerfen? Neben den bereits im Verkauf befindlichen QLED-Fernsehern gibt es laut Myers Interesse von mehreren Teilen des Army Research Laboratory, die an allem arbeiten, von Solarmodulen – eine nützliche Ergänzung zu kraftstoffhungrigen Dieselgeneratoren und schweren Lithium-Eisen-Batterien – bis hin zu militärischen Sensoren und anderer Elektronik . Es gibt auch eine potenzielle medizinische Anwendung in der Verbesserung von CT-Scans, die möglicherweise nicht nur für Zivilisten, sondern auch für Überlebende von Bomben am Straßenrand lebensverändernd sind.

Der Kongress und die Wachhunde der guten Regierung wundern sich oft aus gutem Grund über seltsame Forschungsprojekte, die ohne klare Verbindung zu irgendeinem militärischen Zweck in den Pentagon-Haushalt schlüpfen. Der damalige Unterstaatssekretär der Armee, Ryan McCarthy – jetzt der Sekretär – wurde in den Jahren 2017-2018 weithin gelobt, als er das Wissenschafts- und Technologieportfolio des Dienstes überarbeitete , um Projekte mit geringer Rentabilität auszusondern und 80 Prozent der Investitionen auf die Modernisierungsprioritäten des Dienstes „Big Six “ zu konzentrieren . Aber McCarthy achtete auch sehr darauf, 20 Prozent für die Fortsetzung der Grundlagenforschung zu lassen, ungehindert durch kurzfristige Bedürfnisse , um die Saat für echte  langfristige Durchbrüche zu säen .

Am Mittwochmorgen bearbeitet, um den Ursprung des an die SMU übertragenen Supercomputers zu korrigieren: Es handelt sich um einen ehemaligen Computer der Air Force, nicht um einen Computer des Army Research Laboratory, wie in den Originalversionen dieses Artikels und der Pressemitteilung der Armee angegeben, aus der Breaking Defense diese Informationen erhielt .

https://breakingdefense.com/2020/01/carbon-nanotubes-quantum-dots-army-thinks-very-small/