Mechanosynteza

Mechanosynteza to termin określający hipotetyczne syntezy chemiczne , w których wyniki reakcji są określane przez zastosowanie ograniczeń mechanicznych w celu skierowania reaktywnych cząsteczek do określonych miejsc molekularnych. Obecnie nie ma niebiologicznych syntez chemicznych, które umożliwiłyby osiągnięcie tego celu. Pewne rozmieszczenie atomów osiągnięto za pomocą skaningowych mikroskopów tunelowych .

Wstęp

Rybosom to biologiczna maszyna .

W konwencjonalnej syntezie chemicznej lub chemosyntezie reaktywne cząsteczki spotykają się ze sobą poprzez przypadkowy ruch termiczny w cieczy lub parze. W hipotetycznym procesie mechanosyntezy reaktywne cząsteczki byłyby przyłączane do molekularnych układów mechanicznych, a ich spotkania wynikałyby z ruchów mechanicznych łączących je w zaplanowanych sekwencjach, pozycjach i orientacjach. Przewiduje się, że mechanosynteza pozwoliłaby uniknąć niepożądanych reakcji, oddzielając potencjalne reagenty, i zdecydowanie sprzyjałaby pożądanym reakcjom, utrzymując razem reagenty w optymalnych orientacjach dla wielu molekularnych wibracyjne . W biologii rybosom stanowi przykład programowalnego urządzenia mechanosyntetycznego.

Niebiologiczna forma mechanochemii została przeprowadzona w temperaturach kriogenicznych przy użyciu skaningowych mikroskopów tunelowych . Jak dotąd takie urządzenia zapewniają najbliższe podejście do narzędzi produkcyjnych dla inżynierii molekularnej . Szersze wykorzystanie mechanosyntezy czeka na bardziej zaawansowaną technologię konstruowania maszyn molekularnych , z układami rybosomopodobnymi jako atrakcyjnym wczesnym celem.

Wiele emocji związanych z zaawansowaną mechanosyntezą dotyczy jej potencjalnego zastosowania w montażu urządzeń na skalę molekularną . Wydaje się, że takie techniki mają wiele zastosowań w medycynie, lotnictwie, wydobywaniu zasobów, produkcji i działaniach wojennych.

Większość teoretycznych badań nad zaawansowanymi maszynami tego rodzaju koncentrowała się na wykorzystaniu węgla , ze względu na wiele silnych wiązań, które może tworzyć, wiele rodzajów chemii, na jakie pozwalają te wiązania, oraz użyteczność tych wiązań w zastosowaniach medycznych i mechanicznych. Na przykład węgiel tworzy diament, który gdyby był tanio dostępny, byłby doskonałym materiałem do wielu maszyn.

Sugerowano, zwłaszcza przez K. Erica Drexlera , że mechanosynteza będzie miała fundamentalne znaczenie dla produkcji molekularnej opartej na nanofabrykach zdolnych do budowania makroskopowych obiektów z atomową precyzją. Potencjał ich był kwestionowany, zwłaszcza przez laureata Nagrody Nobla Richarda Smalleya (który zaproponował, a następnie skrytykował niewykonalne podejście oparte na małych palcach).

The Nanofactory Collaboration, założona przez Roberta Freitasa i Ralpha Merkle w 2000 r., jest ukierunkowanym, ciągłym wysiłkiem obejmującym 23 naukowców z 10 organizacji i 4 krajów, który opracowuje praktyczny program badań ukierunkowany konkretnie na pozycyjnie kontrolowaną mechanosyntezę diamentów i rozwój nanofabryk diamentów.

W praktyce umieszczenie dokładnie jednej cząsteczki w znanym miejscu na końcówce mikroskopu jest możliwe, ale okazało się trudne do zautomatyzowania. Ponieważ praktyczne produkty wymagają co najmniej kilkuset milionów atomów, technika ta nie okazała się jeszcze praktyczna w tworzeniu prawdziwego produktu.

Celem jednej linii badań nad mechanomontażem jest przezwyciężenie tych problemów poprzez kalibrację i dobór odpowiednich reakcji syntezy. Niektórzy sugerują próbę opracowania specjalistycznej, bardzo małej (około 1000 nanometrów z boku) obrabiarki, która może budować swoje kopie za pomocą środków mechanochemicznych, pod kontrolą zewnętrznego komputera. W literaturze takie narzędzie nazywane jest asemblerem lub asemblerem molekularnym. Gdy już istnieją asemblery, wzrost geometryczny (kierowanie kopii do wykonywania kopii) może szybko obniżyć koszt asemblerów. Sterowanie przez zewnętrzny komputer powinno wtedy umożliwić dużym grupom asemblerów konstruowanie dużych, użytecznych projektów z atomową precyzją. Jeden z takich projektów łączyłby przenośniki taśmowe na poziomie molekularnym z zamontowanymi na stałe asemblerami w celu wytworzenia fabryki.

Częściowo w celu rozwiązania tego i pokrewnych pytań dotyczących niebezpieczeństw związanych z wypadkami przemysłowymi i powszechnych obaw związanych z niekontrolowanymi zdarzeniami podobnymi do katastrof w Czarnobylu i Bhopalu , a także bardziej odległym problemem ekofagii , szarej mazi i zielonej mazi (różne potencjalne katastrofy wynikające z niekontrolowanych replikatorów, które można zbudować przy użyciu mechanosyntezy), brytyjskie Towarzystwo Królewskie i Królewska Akademia Inżynierii w 2003 r. zleciła badanie dotyczące tych problemów oraz szerszych implikacji społecznych i ekologicznych, kierowane przez profesor inżynierii mechanicznej Ann Dowling. Niektórzy przewidywali, że zajmą zdecydowane stanowisko w sprawie tych problemów i potencjałów — i zasugerują jakąkolwiek ścieżkę rozwoju do ogólnej teorii tak zwanej mechanosyntezy. Jednak raport nanotechnologiczny Royal Society w ogóle nie odnosił się do produkcji molekularnej, z wyjątkiem odrzucenia jej wraz z szarą mazią.

Obecne propozycje techniczne dotyczące nanofabryk nie obejmują samoreplikujących się nanorobotów, a najnowsze wytyczne etyczne zakazywałyby rozwijania nieograniczonej zdolności samoreplikacji w nanomaszynach.

Mechanosynteza diamentów

Istnieje coraz więcej recenzowanych prac teoretycznych dotyczących syntezy diamentu poprzez mechaniczne usuwanie/dodawanie atomów wodoru i osadzanie atomów węgla (proces znany jako mechanosynteza diamentu lub DMS). Na przykład artykuł z 2006 roku w ramach tych ciągłych wysiłków badawczych Freitasa, Merkle i ich współpracowników donosi, że najczęściej badany motyw podpowiedzi mechanosyntezy (DCB6Ge) z powodzeniem umieszcza dimer węglowy C2 na powierzchni diamentu C(110 ) w _obu 300 K ( temperatura pokojowa) i 80 K ( ciekły azot temperaturze) oraz że wariant krzemowy (DCB6Si) działa również w 80 K, ale nie w 300 K. Te podpowiedzi są przeznaczone do użytku tylko w dokładnie kontrolowanych środowiskach (np. próżnia). Maksymalne dopuszczalne granice błędów przesunięcia i przesunięcia końcówki narzędzia podano w artykule III — końcówki muszą być ustawione z dużą dokładnością, aby uniknąć nieprawidłowego wiązania dimeru. W to badanie zainwestowano ponad 100 000 godzin procesora.

Motyw podpowiedzi DCB6Ge, początkowo opisany na konferencji Foresight Conference w 2002 r., był pierwszą kompletną wskazówką, jaką kiedykolwiek zaproponowano do mechanosyntezy diamentów i pozostaje jedynym motywem podpowiedzi, który został pomyślnie zasymulowany pod kątem zamierzonej funkcji na pełnej 200-atomowej powierzchni diamentu. Chociaż wczesna praca podaje przewidywaną prędkość umieszczania tej końcówki na poziomie 1 dimera na sekundę, ograniczenie to zostało narzucone przez małą prędkość ładowania narzędzia przy użyciu nieefektywnej metody ładowania i nie jest oparte na żadnym nieodłącznym ograniczeniu szybkości używania naładowana podpowiedź. Ponadto nie zaproponowano żadnych środków wykrywających do rozróżnienia między trzema możliwymi wynikami próby umieszczenia dimeru - osadzeniem we właściwym miejscu, osadzeniem w niewłaściwym miejscu i brakiem umieszczenia dimeru w ogóle - ponieważ początkowa propozycja polegała na umieszczeniu podpowiedzi poprzez kalkulację, z właściwą reakcją zapewnioną przez zaprojektowanie odpowiedniej energetyki chemicznej i względnej siły wiązania dla interakcji wierzchołka narzędzia z powierzchnią.

Nowsza praca teoretyczna analizuje kompletny zestaw dziewięciu narzędzi molekularnych wykonanych z wodoru, węgla i germanu zdolnych do (a) syntezy wszystkich narzędzi w zestawie (b) naładowania wszystkich narzędzi w zestawie z odpowiednich cząsteczek surowca oraz (c) syntezy szerokiego zakres sztywnych węglowodorów (diament, grafit, fulereny i tym podobne). Wszystkie wymagane reakcje są analizowane przy użyciu standardowych metod chemii kwantowej ab initio.

Dalsze badania w celu rozważenia alternatywnych końcówek będą wymagały czasochłonnej chemii obliczeniowej i trudnej pracy laboratoryjnej. Na początku XXI wieku typowy układ eksperymentalny polegał na przyczepianiu cząsteczki do końcówki mikroskopu sił atomowych , a następnie wykorzystaniu precyzyjnych możliwości pozycjonowania mikroskopu do wepchnięcia cząsteczki z końcówki do drugiej na podłożu. Ponieważ kąty i odległości można precyzyjnie kontrolować, a reakcja zachodzi w próżni, możliwe są nowe związki chemiczne i układy.

Historia

Technika mechanicznego przemieszczania pojedynczych atomów została zaproponowana przez Erica Drexlera w jego książce The Engines of Creation z 1986 roku .

W 1988 roku badacze z Instytutu Badawczego IBM w Zurychu pomyślnie przeliterowali litery „IBM” w atomach ksenonu na kriogenicznej powierzchni miedzianej, co znacznie potwierdziło to podejście. Od tego czasu w wielu projektach badawczych podjęto się wykorzystania podobnych technik do przechowywania danych komputerowych w zwarty sposób. Niedawno technika ta została wykorzystana do zbadania nowej chemii fizycznej, czasami przy użyciu laserów do wzbudzenia końcówek do określonych stanów energetycznych lub zbadania chemii kwantowej określonych wiązań chemicznych.

zaproponowano sprawdzoną eksperymentalnie metodologię zwaną skanowaniem zorientowanym na funkcje (FOS). Metodologia skanowania zorientowana na cechy pozwala precyzyjnie kontrolować położenie sondy mikroskopu z sondą skanującą (SPM) na powierzchni atomu w temperaturze pokojowej. Zaproponowana metodologia wspiera w pełni automatyczne sterowanie instrumentami jedno- i wielosondowymi w rozwiązywaniu zadań mechanosyntezy i nanoprodukcji oddolnej .

W 2003 roku Oyabu i in. opisali pierwszy przypadek czysto mechanicznego tworzenia i zrywania wiązań kowalencyjnych, tj. pierwszą eksperymentalną demonstrację prawdziwej mechanosyntezy — aczkolwiek z użyciem raczej krzemu niż atomów węgla.

W 2005 roku złożono pierwszy wniosek patentowy dotyczący mechanosyntezy diamentów.

W 2008 roku zaproponowano dotację w wysokości 3,1 miliona dolarów na sfinansowanie rozwoju systemu mechanosyntezy opartego na zasadzie dowodu.

Zobacz także nanotechnologię molekularną , bardziej ogólne wyjaśnienie możliwych produktów i omówienie innych technik montażu.

Linki zewnętrzne

Bibliografia zaktualizowana tutaj przez Roberta Freitasa
Instytut Foresight pozostaje aktywny.
2004 zaproponował praktyczną metodę umożliwiającą mechanosyntezę diamentów , autorstwa Roberta Freitasa