光学将使微芯片与计算机内部及内部其它部件之间的通讯更加快捷

电子计算的稳步发展，从原始的台式计算机到袖珍型超级计算机(我们称之为智能手机)，已经证明了硅的卓越价值，它已经发展了70多年。由曼彻斯特大学超真空实验室制造的纳米设备，大小与花粉粒差不多。CardeaBio创业公司的“生物门控晶体管”能与抗体或微生物等粒子相互作用。

电子计算的稳步发展，从原始的台式计算机到袖珍型超级计算机(我们称之为智能手机)，已经证明了硅的卓越价值，它已经发展了70多年。

假如我们恰当地把硅制备成晶体管，它可以作为导体，也可以作为绝缘体，这取决于你要通过的电荷，这是整个数字革命的基础，从TikTok到Internet，所有的一切都是基于它的实现。

但硅的不利地位日益突出。BUL1102E微晶片的运算能力每两年翻一番，这被称为摩尔定律(Moore‘sLaw)，但是几十年来这个定律一直在放缓，而且可能很快就会结束。根据我们的理解，用目前的方法，几乎不可能把元素蚀刻到最小尺寸小于3纳米的硅(例如晶体管)上。(一种观点是，3纳米的薄膜厚度可低至15个原子。)所以科技工业正在寻找其它神奇的材料来替代旧的硅，或至少是与它结合，从而大大提高它的硅厚度和能力。

来自UTAustin的DejiAkinwande和一个同事展示了一个用硅和石墨烯制成的能够探测冠状病毒颗粒的原型设备。

在物理，化学和工程等前沿领域的研究人员正在对奇异物质进行微晶片试验。这些化合物包括石墨烯、黑磷、过渡金属二卤化物和纳米片氮化硼。一般而言，它们被称为二维材料，因为它们只有一个原子或两个平板厚度。20年前还不得而知，现在已经在实验室有规律地生产出来了，采用的方法包括普通的搅拌器和棘手的高温气相沉积法。

这项研究的一些结果已经在今天出售的设备中发现了，但是在下一个十年里，有望有更多的设备为我们的Gadget带来新的功能。这包括智能手机中的红外夜视模式等新功能，还有强大的功能，如高速10倍的微型芯片，具有更高的工作效率。这样就能实现新型人机交互，比如适用于日常眼镜的增强现实系统。

这听起来像是科幻小说？事实上，有些是这样。出于种种原因，这些二维材料的许多潜在应用短期内无法实现，包括很难将其与现有电子设备结合使用和集成，或难以每年生产数十亿台设备。

为获得帮助，研究者必须将所有这些可能的材料分类。一个小的军队正在努力工作，他们来自几十所大学，还有IBM、三星、TSMC、GlobalFoundries和几乎世界上所有的大型芯片设计和制造公司。它们在寻求理想特性和可制造性的适当结合，也就是可靠地大量生产的能力。

由曼彻斯特大学超真空实验室制造的纳米设备，大小与花粉粒差不多

二维材料的原始材料是石墨烯。假如我们能像魔术校车一样收缩，悬停在它的表面之上，那么石墨烯看上去就像一个由碳原子构成的六角平面。就像铅笔里的石墨一样，石墨烯只是平面排列的晶体。

在40年代，它被理论化，但直到2004年，研究者们才对其进行恰当的合成和描述。(这使他们获得了诺贝尔奖)

由于石墨烯非常强大，而且具有导热能力，所以它已经发现了用于保持智能手机和其电池冷却和延长运动设备寿命的应用。因为它的性质更像是金或铜之类的导体，所以不大可能取代硅。但它有很多独特的特性，使得在与传统硅微芯片结合时非常有用。

CardeaBio是一家新成立的公司，总部在圣地亚哥，已经开始销售组合系统。其新型传感器——生物门控晶体管——将生物活性分子(如某些抗体)粘附到石墨烯片上，然后再粘附到硅片上。它不仅是一种良好的导体，而且对任何可能影响它的电导率的接触都十分敏感。

迈克尔·赫尔茨，CardeaBio的首席执行官，说：“生物学的魅力就在于它是技术，是一种组织复杂性。石墨烯还能把生物模拟世界转变成能够操作和收集数据的数字世界，由人类工程师和人类构建的系统。

CardeaBio创业公司的“生物门控晶体管”能与抗体或微生物等粒子相互作用

赫尔茨恩表示，CardeaBio的系统目前正与研究人员使用的设备相匹配，这种芯片有朝一日将能够扫描液体中的特定有机分子，也就是几乎所有大小的有机分子都能进入环境。这家公司宣布，该项目由美国国防高级研究计划局资助，是佐治亚理工学院项目的一部分，该项目正在研制一种传感器，用于探测空气中的冠状病毒颗粒。在有人呼出病毒颗粒后不久，SARS-CoV-2就可以在大楼内的这类设备上检测。如有可能，最终可能导致系统被重新编程以检测其他病原体。

DejiAkinwande，德克萨斯大学的教授，从事二维材料的研究，他说，其他即将到来的团队工作包括使用超薄，超灵敏的相机。因为石墨烯能使光敏元件对光线的敏感度比硅元件高出100倍。而且，由于石墨材料能在较宽的电磁频谱范围内“观测到”，因此可以制造小型、廉价、高分辨率的红外摄像机，并可安装在智能手机上。该技术已处于原型阶段，它能让我们的智能手机上的摄像机看到物体产生的热量。

Akinwande博士和他的同事们还预测，到本世纪中叶，二维材料对光线的处理将使我们的设备得到更有意义的升级。光学将使微晶片与计算机内部及内部其它部件之间的通讯更加快捷，更加高效，从而加速了微晶片和通信网中电子被光子取代的速度。

阿金万德博士说，二维材料可以产生巨大影响的另一个领域是将微型芯片堆在一起，比如高楼。在闪存和移动设备芯片中，硅堆栈已十分普遍，其中的空间十分珍贵，比如AppleWatch内部。

阿金万德博士研究了用于生物过程电子测量的基于石墨烯的晶体管阵列

因为二维材料只有一个原子或两个厚度，所以它们可以生长在硅微片上，或者分别生长，然后仔细放置。DeepJariwala说，“在宾夕法尼亚大学，纳米技术工程教授说，和只使用硅片相比，这有两个优势。”第一种方法是在不提高芯片高度的情况下堆很多芯片。另一个原因是某些二维材料(特别是石墨烯)的散热性很好，工程师可以用它来建造比传统微晶片更快且不会烧坏自身的高楼大厦。

在曼彻斯特大学，研究人员制造了一种超净装置，用来堆砌二维材料。因为这种材料容易被空气破坏，所以所有的操作都必须在室内真空环境中进行。

PlaygroundGlobal的风险投资家PeterBarrett说，将这种尖端制造技术转化成可能是将二维材料带入现实的关键(由台积电、三星和GlobalFoundries等公司运营)，这对于将二维材料变成现实至关重要。

彼得·巴雷特先生说：“硅的成功在于其制造工艺

或许从现在起几年或几十年后，一旦人们对某些新颖的2-D材料有了足够的了解，并且花费了数十亿美元在全球半导体工业上推广这些材料，它们中的一个或多个将取代硅，Jariwala博士说，它在我们计算机内的一些主要应用中起着重要作用。

这类二维材料和石墨烯不同，是一种很好的半导体，这类二维材料是二硫化钼，他补充道，这类二维材料已经显示了前景。该系统被用来制造灵活的电子装置和简单的微处理器。此外，并非只有它可以用作潜在的硅替代品：它是众多(甚至是数千)有前景的材料中的一部分。像很多这种物质一样，它面临的挑战之一是制造和处理它们可能非常困难。

与此同时，PeterBarrett先生说，现有硅芯片的新应用，如量子计算和模拟人类大脑的“神经形态”计算，将促使工程师将硅推到物理极限，并在这一过程中为未来的发展铺平道路。

对硬件的需求增长速度快于当前技术，从不断缩小的电子产品、破解代码到云计算和人工智能。足够的需求，再加上在实验室取得的足够进展，最终可能会证明，我们为把二维材料推向中心舞台而付出的巨大投资是值得的。