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News: Bits unter Druck

Magnetische, optische und elektronische Speichermedien kennen wir vom Computer zur Genüge. Aber vielleicht erleben ja bald auch die guten alten mechanischen Speichermedien ein Comeback - mit einem Material, das Daten unter Druck speichert.
Gespeicherte Bits
Vielleicht erinnert sich noch der ein oder andere: Es gab einmal ein Speichermedium aus Spezialpapier, etwa 8 mal 19 Zentimeter groß und übersäht mit Löchern. Solche Lochkarten wurden bereits Ende des 19. Jahrhunderts im großen Stil eingesetzt, wobei die Idee schon damals nicht neu war, sondern gute hundert Jahre zuvor bereits bei automatischen Webstühlen eingesetzt wurde. Damit sind Lochkarten die ersten maschinenlesbaren Datenträger überhaupt. Viel Zeit ist jedoch seitdem vergangen, und irgendwann genügte die bescheidene Speicherkapazität der Karten nicht mehr den gestiegenen Ansprüchen der speicherhungrigen Software.

Heute, in einer Zeit, in der die meisten Computerkenngrößen die Vorsilbe "giga" tragen, muten diese frühen Medien wie ein anachronistisches Relikt längst vergangener Tage an. Doch Totgesagte leben länger, und so steht dem Prinzip der mechanischen Datenspeicherung vielleicht eines Tages ein ruhmreiches Comeback bevor. Mit einer Spezialbeschichtung schufen Forscher des Institute for Nanostructured Materials Studies in Bologna, der Università di Bologna sowie der University of Edinburgh nun zumindest eine vielversprechende Grundlage.

Die Forscher um Massimiliano Cavallini beschichteten nämlich ein Trägermaterial aus Graphit beziehungsweise Glimmer mit so genannten Rotaxanen. Dabei handelt es sich um komplexe Moleküle, bei denen ein gesättigter Kohlenstoffring ein kettenförmiges Molekül mit sperrigen Endgruppen – einer Hantel gleich – umschließt. Auf diese Weise kann der Molekülring nicht von dem Molekülstrang gleiten, lediglich verschieben oder drehen lässt er sich.

Diese Rotaxan-Schichten untersuchten die Forscher nun mit einem Rasterkraftmikroskop, das mit seiner feinen Spitze ähnlich wie mit einer Schallplattennadel die Oberfläche des Materials abfährt. Bewegte sich die Spitze dabei mit leichtem Druck von maximal zwei Nanonewton über das Material, dann zeichnete sich auf dem Bildschirm des Mikroskops eine ebene Oberfläche ab. Oberhalb jener zwei Nanonewton kam es jedoch zu Störungen, und die Spitze des Mikroskops hinterließ bei ihrer zeilenweisen Wanderschaft über die Rotaxan-Schicht kleine Erhebungen in regelmäßigen Abständen. Dabei war die Zahl der Hügelchen proportional zur Länge des abgetasteten Weges, sodass sich einfach durch die Wegstrecke eine vorgegebene Zahl von Erhebungen – Bits sozusagen – aufprägen lässt.

Doch wie klein lassen sich diese Bits schreiben? Denn schließlich soll ein potenzielles Speichermedium auch mit heute üblichen Datendichten aufwarten können. Cavallini und seine Kollegen fanden heraus, dass die punktförmigen Erhebungen kleiner ausfielen, wenn die Schicht dünner war. Gleichzeitig ordneten sich auch mehr Punkte in der Reihe aneinander, die Speicherdichte stieg also. Mit einem durchschnittlichen Punktabstand zwischen 500 und 100 Nanometern ließen sich auf die Weise Speicherkapazitäten von 10 bis maximal 100 Gigabit pro Quadratzoll erreichen – durchaus die Liga, in der heute auch Festplatten spielen.

Aber wie kommt es dazu, dass sich unter Druck jene winzigen Beulen ausbilden? Die Aufnahmen mit dem Rasterkraftmikroskop zeigten zumindest, dass es sich nicht um abgeriebenes Material handelt. Derlei Auflösungserscheinungen treten erst auf, wenn die Kraft drei bis vier Nanonewton übersteigt. Vielmehr weisen molekulare Modelle der Rotaxan-Moleküle darauf hin, dass es zwei verschiedene, jedoch energetisch fast gleichwertige Oberflächenstrukturen gibt. Der leichte Druck durch die Spitze des Mikroskops bringt nun genug Energie auf, um an einzelnen Stellen die eine Struktur in die andere zu überführen.

Natürlich könnte man sich jetzt ein Schreibgerät vorstellen, das seriell – also wie die Nadel des Mikroskops – über die Oberfläche gleitet und so Daten speichert. Die Forscher um Cavallini schlagen jedoch eine etwas andere Methode vor: Sie wollen gleich mehrere Bits gleichzeitig auf die Oberfläche bringen, indem sie beispielsweise mit einem ausgedehnten Stempel auf die Schicht drücken. Doch ein Problem haben die Forscher noch: Einmal geschrieben, können sie die Daten bislang nicht wieder löschen – ganz so wie die Lochkarte, die einmal gestanzt nicht mehr überschrieben werden konnte. Doch vielleicht finden die Forscher hier in Bälde auch Abhilfe, denn gegenüber wissenschaft-online meinte Fabio Biscarini: "Wir arbeiten zur Zeit an der Löschbarkeit der Medien."

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