25.02.12

Immer kleinere Bits (2/2): Flüssigkeiten als Speichermedien

Auch ein Datenspeicher: Der Plattenspieler (Bild: Uni Kiel)

Werden die Datenspeicher der Zukunft magnetisch arbeiten? Oder chemisch? Oder gar wieder mechanisch, wie in der Computer-Steinzeit? Bei dem im Folgenden beschriebenen, von neuerdings.com vor Ort ausführlich besichtigten Speicherverfahren ist das noch nicht ganz heraus.

Auf einem ganz merkwürdigen Weg ist ein Team der Universität Kiel zu einem zukünftigen denkbaren Speicherverfahren gekommen. Eigentlich ging es darum, ein effektiveres Kontrastmittel für die bei 64 MHz durchgeführte Kernspintomografie (MRT, Magnetoresonanztomografie) zu entwickeln: Ein Material, das sich zwischen diamagnetischem und paramagnetischem Verhalten umschalten lässt, war gesucht. Der Grund: Für manche Aufnahmen ist es notwendig, dass das Kontrastmittel «aktiv» ist (paramagnetisch, «high spin»), um das gewünschte kontrastreiche Bild zu erhalten, für andere Aufnahmen stört es dagegen wieder und es wäre mehrere Stunden abzuwarten, bis der Patient die heute für diesen Zweck verwendeten Gadolinium-Verbindungen wieder ausgeschieden hat, oder das Kontrastmittel auf diamagnetisches Verhalten («low spin») umschalten können.

Das in der Blutbahn befindliche Hämoglobin ist so ein umschaltbares Kontrastmittel - es wird je nach Sauerstoffgehalt para- oder diamagnetisch. So können im Bold-fMRI (Blood-oxygenation-level-dependent functional Magnetic Resonance Imaging) Stoffwechselvorgänge gut dargestellt werden - in Bereichen mit hoher Stoffwechselaktivität und damit geringem Sauerstoffgehalt des Bluts steigt der Kontrast. Allerdings kann man dem Patienten natürlich nicht die Atemluft nehmen, um die Hämoglobin-Moleküle gezielt umzuschalten.

Deshalb hat der «Sonderforschungsbereich 677» versucht, entsprechende Moleküle zu synthetisieren: Nickel-II-Porphyrin mit angesetzten Azopyridinen. Diese Moleküle werden durch äussere Einwirkung mechanisch «umgeschaltet» - im momentan erreichten Zustand ist diese «äussere Einwirkung» die Bestrahlung mit grünem oder ultravioletten Licht. Wegen der Anordnung der Atome im Molekül spricht Projektleiter Prof. Dr. Rainer Herges von der Universität Kiel von einem «Plattenspieler»-Molekül, weil es in einem Zustand einer auf die Schallplatte gesenkten Nadel ähnelt - die Schallplatte ist das Nickel-II-Porphyrin, die Nadel das Azopyridin. Dieser diamagnetische Zustand wird erreicht, wenn das Molekül mit UV mit 365 nm Wellenlänge bestrahlt wird, bei grünem Licht von 455 nm wird die «Nadel» dagegen vom «Plattenteller» weggeklappt und das Molekül paramagnetisch.

Das Verlockende an dem neuen Verfahren ist die potenziell enorm hohe Speicherdichte - im Prinzip könnte jedes Molekül ein Bit repräsentieren, damit läge diese Technik drei Grössenordnungen unterhalb heutiger Festplatten. Praktisch ist dies allerdings momentan nicht nutzbar: Weder kann das Licht molekülgenau in das neue Speicherelement gestrahlt werden, auch mit Laserdioden nicht - momentan werden LEDs für die Bestrahlung verwendet -, noch ist es möglich, den Zustand des «Bits» nachher molekülgenau auszulesen.

Eine molekülgenaue Bestrahlung scheitert schon an den Grössenverhältnissen: Das grüne Licht hat eine Wellenlänge von über 400 nm, das Molekül ist jedoch nur 1,2 nm gross. Zudem ist die sogenannte «Quantenausbeute» eingeschränkt, also die Effizienz, dass ein einzelnes Molekül tatsächlich bei der Bestrahlung «umschaltet»: Beim Ausschalten beträgt diese 70%, beim Einschalten nur 15% - nicht einmal ein Sechstel aller «Plattenspieler» senkt also auf Kommando tatsächlich die Nadel. Daher könnte erst eine Gruppe von mindestens mehreren Dutzend Molekülen ein Bit repräsentieren. Ebenfalls ist noch unklar, ob eine «Ermüdung» des Schaltelements eintreten kann - mehrere 10'000 Schaltvorgänge sind aber auf jeden Fall möglich.

Tatsächlich wird momentan eine Küvette mit einer die «Plattenspieler»-Moleküle enthaltenen Lösung mit grünen oder UV-LEDs bestrahlt und der jeweilige Schaltzustand dann durch den Farbwechsel der Lösung detektiert: Die Färbung wechselt von rotwein- zu weissweinfarben und zurück. Also nur ein Bit Speicherkapazität pro Küvette und bislang eher ein netter Trick für den Chemieunterricht, dem seine ungewöhnliche Herkunft aus einem gezielt synthetisierten Molekül nicht anzusehen ist. Zu einem funktionsfähigen Computerspeicher wäre noch ein langer Weg zurückzulegen. Prof. Dr. Rainer Herges schätzt etwa 12 Jahre bis zu einer möglichen Markteinführung. Vielleicht bleibt es bei dieser dann doch gänzlich beim Einsatzfeld «Kontrastmittel». Dennoch sehr faszinierende Grundlagenforschung.

Ob sich wirklich eine der neuen Technologien als Grundlage einer nichtflüchtigen und dennoch schnellen Speichertechnik durchsetzt, ist allerdings trotz der bei manchen angeblich direkt bevorstehenden Serienreife völlig offen: Mit magnetischen Speichertechniken wurden zwar einige Verbesserungen erreicht, beispielsweise durch den GMR-Effekt, mit dem die Leseköpfe heutiger Festplatten miniaturisiert werden konnten, wodurch diese ein Vielfaches der Kapazität von Festplatten mit normalen Magnet-Leseköpfen erreichen. Doch ebenso gab es Fehlschläge wie die Technik der Magnetblasenspeicher, die in den 80er-Jahren die bis dahin üblichen Datenspeicher ablösen sollte. Von MRAMs ist kaum mehr etwas zu hören.

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