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Wie Nanotechnologie den Datenspeicher in der Zukunft verändert

Die Nanotechnologie ist überall in den Nachrichten, aber es ist kein ganz brandneues Thema. Seit Beginn des neuen Jahrtausends ist Nanotechnologie zu einem Hype in den Medien und in vielen Unternehmen geworden. Viele Artikel haben in den letzten Jahren neue Produkte und technologische Errungenschaften angekündigt. Aber…

  • Was ist Nanotechnologie wirklich und was bedeutet sie für die Zukunft der Datenspeicherung?
  • Was kann die Nanotechnologie zur Datenspeicherung beitragen?
  • Was sind die bisher interessantesten Forschungsergebnisse zur Datenspeicherung?

Das sind die Hauptfragen, die ich gerne in diesem Artikel beantworten möchte. Beginnen wir also mit der ersten Frage:

Was ist Nanotechnologie?

Nanotechnologie ist ein Trendwort, das in den späten neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde. Es beschreibt einfach Technologien, die versuchen, Materialien im Nanometerbereich herzustellen. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Um es einfach auszudrücken: Wenn Materialien diese Nanometergrenze überschreiten, bestimmt die Größe die Eigenschaften der Materialien.

Das bedeutet, dass Materialien, die kleiner als ein Mikrometer sind, in vielen Fällen unterschiedliche Eigenschaften zu den Ausgangsmaterialien haben und sich daher zu diesen unterschiedlich verhalten. Materialien, die für einen bestimmten Zweck mit Nanotechnologie hergestellt oder hergestellt werden, können sich also im Verhalten von ihren chemischen Vorläufern stark unterscheiden.

Die Nanotechnologie wird in vielen Bereichen bereits häufig eingesetzt. Autolacke sind zum Beispiel bereits mit einem speziellen Nano-Bindemittel versehen, das Wasser und Regen an der Karosserie herunterfließen lässt. Am Ende verhindert dieses spezielle Bindemittel, dass das Auto rostet. Ein anderes Beispiel ist die Verwendung kleiner Nano-Materialien bei der Herstellung von Zahnpasten. Die Idee dabei ist, dass in der Zahnpasta Nanopartikel von Hydroxylapatit enthalten sind, die kleine Kratzer auf der Zahnoberfläche reparieren sollen. Ein weiteres Anwendungsgebiet für Nanotech sind Textilien. Jacken oder Hosen, die für den Outdoor- oder Adventure-Einsatz gedacht sind, bestehen aus Verbundstoffen, die durch winzige Nanomaterialien den Schmutz abweisen.

Der Trend zu immer kleineren Geräten, Computerchips und Speichern ist nichts Neues. In den siebziger und achtziger Jahren war das Trendwort “micro” (wie in Microsoft), heute ist es Nano.

Was viele nicht wissen: In der Computertechnologie verwenden wir bereits Speicher, die mit Nanotechnologie hergestellt werden: Die Flash-basierten Speicherchips, die wir in unseren Computern oder Kameras verwenden, bestehen aus Halbleitermaterialien, die nur von einer isolierenden Oxidschicht bedeckt sind – einige Nanometer dick. Das Speichern oder Löschen von Daten auf einem Flash-Speichermedium ist zudem nur mit einem Phänomen der Quantenmechanik und damit aus der Nanotechnologie möglich: dem so genannten Tunneleffekt.

Das bedeutet, dass Nanotechnologie in der Datenspeicherung keine bestimmte Speichertechnologie beschreibt, die verwendet wird, sondern dass die Medien, Materialien oder Komposite kleiner werden und unter die Mikrometergrenze fallen.

Was kann die Nanotechnologie zur Datenspeicherung beitragen?

Wie zuvor beschrieben, wären die Vorteile von Flash-basierten Speicherchips und USB- und SSD-Karten ohne die Verringerung der Größe über die Nanometerbegrenzung hinaus nicht möglich. Aber seit einigen Jahren werden aktuell andere Verfahren erforscht, um sowohl den verwendeten Speicherplatz zu minimieren als auch mehr Daten auf weniger Platz zu speichern, um mit der ständig zunehmenden Datenmenge aufgrund des Big-Data-Phänomens fertig zu werden. Deshalb wird in allen Bereichen der Datenspeicherung geforscht – sei es beim Magnetismus, bei einzelnen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren mit elektrischer Energie oder bei optischen Speichern mit unterschiedlichen Laserlichtarten. Bei allen drei gängigen Datenspeichermethoden versuchen Forscher, aktuelle Grenzen durch den Einsatz von Nanotechnologien zu überwinden.

Die Zukunft: Daten mit Atomen speichern

Und was die Forscher heute ankündigen, klingt fast wie Szenen aus Science-Fiction-Büchern oder Filmen, die wir einmal gesehen haben – jetzt versuchen sie, zum Kern von allem vorzudringen: den Atomen. Ein Physiker von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden hat einige Erfolge bei der Speicherung von Daten direkt auf der kleinstmöglichen Komponente – dem Atom – erzielt.

Zu diesem Zweck verwendete Dr. Sander Otte Chlor-Atome. Diese Atome haben die Eigenschaft, sich auf einer flachen Kupferoberfläche in einer zweidimensionalen Anordnung anzuordnen. Danach gibt jedoch immer noch leere Räume – sogenannte Lücken – wo sich keine Atome auf der Oberfläche befinden. Um es einfach zu halten, hat Dr. Sanders Otte eine Methode entwickelt, um Lücken und Atome auf der Oberfläche so anzuordnen, dass sie entweder eine Null oder eine Eins “bilden”, wie es auch der normale Binery-Code tut. Mit einem computergesteuerten Rastertunnelmikroskop kann sein Team die Atome von Lücke zu Lücke schieben, bis die benötigten Bit-Arrays gebildet sind und ausgelesen werden können. Das Schöne an dieser Nanotechnologie ist, dass es theoretisch möglich ist, alle Bücher, die die Menschheit bisher geschaffen hat, auf einer einzigen Oberfläche zu speichern, die so groß ist wie ein Briefmarke.

Auch wenn diese Methode im Labor gut funktioniert, dauert das Auslesen eines sehr kleinen 64-Bit-Datenblocks eine Minute, das Schreiben dauert gar 2 Minuten. Zudem funktioniert der Prozess nur in einem “Klima” von -196 ° C und die Atome bleiben nur für 2 Tage auf der zugewiesenen Position, was bedeutet, dass die Daten nur für 2 Tage gespeichert werden. Dann sind die Daten für immer verloren! Andere Versuche mit verschobenen Atomen wurden auch unter Verwendung anderer Materialien, wie beispielsweise Kobalt-Atomen, durchgeführt. Mehr dazu hier

Eine andere Methode zur Speicherung von Daten mit Atomen wurde von Forschern eines internationalen Teams von der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts, Schweiz, der Universitäten Lyon und Rennes und des College de France, Paris aus Frankreich sowie des Berkley National Laboratory in Kalifornien, USA letztes Jahr durchgeführt. In einer gemeinsamen Anstrengung war das Team in der Lage, Nanomagnete herzustellen.

Sie waren in der Lage, diese Nanomagnete zu erzeugen, indem sie magnetisierbare Atome auf einer Siliziumdioxidoberfläche anbrachten. Einfach ausgedrückt besteht die Siliziumdioxidoberfläche aus Silica-Nanopartikeln, in die Atome eines magnetischen Seltenen-Erden-Metalls – Dysprosium – bei 400 ° Celsius oder 750 ° Fahrenheit eingeschlossen sind. Aber auch hier sehen sich die Forscher mit der Schwierigkeit konfrontiert, dass der Magnetismus nur etwa 90 Sekunden andauert und nur bei -270 ° C oder -454 ° F funktioniert. Dies ist für die Speicherung von Computerdaten also auch noch lange nicht praktikabel.

Das letzte Beispiel für Nanotechnologie, das bereits für zukünftige Datenspeicherzwecke genutzt wird, ist eine von Forschern der University of Southampton entwickelte Methode. Im Gegensatz zu den beiden anderen oben beschriebenen Methoden haben sie einen kleinen Speicherchip basierend auf dem Material Glas hergestellt. Sie verwendeten dabei Nanotechnologie in Verbindung mit einem superschnellen Laser. Der Laser schrieb mit extrem kurzen und intensiven Lichtimpulsen Testdokumente auf den Glas-Chip. Das spezielle Glas, das für diesen Speicher verwendet wird, weist superfeine Strukturen im Nanometerbereich auf, wodurch es möglich ist, drei Schichten von Datenpunkten zu erzeugen. Diese Strukturen verändern dabei die Art, wie das Licht durch das Glas scheint und diese Daten können dann mit einem optischen Mikroskop und einem Polarisator ausgelesen werden. Die Forscher behaupten, dass solch eine winzige Glasscheibe 360 TB Daten für 13,8 Milliarden Jahre speichern kann und benannten die Scheibe “Superman Memory Crystal”. Die Technologie wurde erstmals im Jahr 2013 demonstriert und sie sind bereits in der Lage, die Magna Carta und die King James Bibel vollständig auf einer solchen Scheibe zu speichern.

Fazit: Die in diesem Artikel gezeigten Beispiele zeigen deutlich, dass Forscher auf der ganzen Welt derzeit an vielen verschiedenen Methoden arbeiten, um die Datenspeicherungsexplosion mittels Nanotechnologie zu bekämpfen. Diese neuen Ideen und Methoden sind jedoch noch lange nicht marktreif. Vorerst – und das können noch viele weitere Jahrzehnte sein – sollten sich Anwender und Endverbraucher noch auf die gängigen Datenträger wie HDDs, SSDs und Tape einstellen.

Bildnachweis: Ontrack Datenrettung