Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть цикла статей о
Молекулярная
нанотехнология
Часть серии статей о
Нанотехнологии
Воздействие и приложения
Наноматериалы
Молекулярная самосборка
Наноэлектроника
Нанометрология
Молекулярная нанотехнология
  • Молекулярный ассемблер
  • Наноробототехника
  • Механосинтез
  • Молекулярная инженерия
  •  Научный портал
  •  Технологический портал
  • v
  • т
  • е

Механосинтез - это термин для гипотетического химического синтеза, в котором результаты реакции определяются использованием механических ограничений для направления реактивных молекул к определенным молекулярным участкам. В настоящее время не существует небиологических химических синтезов, позволяющих достичь этой цели. Некоторое размещение атомов было достигнуто с помощью сканирующих туннельных микроскопов .

Введение [ править ]

Рибосома является биологической машиной .

В обычном химическом синтезе или хемосинтезе реактивные молекулы сталкиваются друг с другом посредством случайного теплового движения в жидкости или паре. В предполагаемом процессе механосинтеза реактивные молекулы будут присоединены к молекулярно-механическим системам, и их встречи будут происходить в результате механических движений, объединяющих их в запланированных последовательностях, положениях и ориентациях. Предполагается, что механосинтез позволит избежать нежелательных реакций, удерживая потенциальные реагенты отдельно, и будет сильно способствовать желаемым реакциям, удерживая реагенты вместе в оптимальной ориентации для многих циклов молекулярных колебаний . В биологии рибосома представляет собой пример программируемого механосинтетического устройства.

Небиологическая форма механохимии была выполнена при криогенных температурах с использованием сканирующих туннельных микроскопов . Пока что такие устройства обеспечивают наиболее близкий подход к средствам изготовления для молекулярной инженерии . Более широкое использование механосинтеза требует более продвинутых технологий для создания молекулярных машинных систем с рибосомоподобными системами в качестве привлекательной ранней цели.

Многие волнения по поводу продвинутого механосинтеза связаны с его потенциальным использованием при сборке устройств молекулярного масштаба . Такие методы, по-видимому, находят множество применений в медицине, авиации, добыче ресурсов, производстве и войне.

Большинство теоретических исследований усовершенствованных машин такого типа были сосредоточены на использовании углерода из-за множества прочных связей, которые он может образовывать, многих типов химии, которые эти связи допускают, и использования этих связей в медицинских и механических приложениях. Например, углерод образует алмаз, который, если он будет дешевым, станет отличным материалом для многих машин.

Было высказано предположение, в частности К. Эриком Дрекслером , что механосинтез будет фундаментальным для молекулярного производства на основе нанофабрик, способных создавать макроскопические объекты с атомной точностью. Их потенциал оспаривается, в частности, лауреатом Нобелевской премии Ричардом Смолли (который предложил, а затем раскритиковал неработающий подход, основанный на маленьких пальцах).

Сотрудничество нанофабрик [1], основанное Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году, представляет собой целенаправленную постоянную работу с участием 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, которая разрабатывает программу практических исследований [2], специально нацеленную на позиционно управляемый механосинтез алмазов и алмазоидов. развитие нанофабрики.

На практике возможно попадание ровно одной молекулы в известное место на кончике микроскопа, но оказалось, что это сложно автоматизировать. Поскольку для практических продуктов требуется, по крайней мере, несколько сотен миллионов атомов, этот метод еще не доказал свою практичность для создания реального продукта.

Целью одного направления исследований механосборки является преодоление этих проблем путем калибровки и выбора подходящих реакций синтеза. Некоторые предлагают попытаться разработать специализированный, очень маленький (примерно 1000 нанометров на сторону) станок, который мог бы создавать свои копии с помощью механохимических средств под управлением внешнего компьютера. В литературе такой инструмент называется ассемблером или молекулярным ассемблером. Когда существуют сборщики, геометрический рост (направление копий на изготовление копий) может быстро снизить стоимость сборщиков. Затем управление внешним компьютером должно позволить большим группам сборщиков создавать большие полезные проекты с атомарной точностью. Один из таких проектов объединит конвейерные ленты на молекулярном уровне со стационарно установленными сборщиками для создания фабрики.

Отчасти для решения этого и связанных с ним вопросов об опасностях промышленных аварий и об опасениях населения по поводу побега событий, эквивалентных катастрофам в Чернобыле и Бхопале , а также более отдаленной проблеме экофагии , серой слизи и зеленой слизи (различные потенциальные катастрофы, возникающие из-за беглых репликаторов, которые может быть построен с использованием механосинтеза) Королевское общество Великобритании и Королевская инженерная академия Великобританиив 2003 году заказала исследование, посвященное этим проблемам и более широким социальным и экологическим последствиям, под руководством профессора машиностроения Энн Доулинг. Некоторые ожидали, что это займет твердую позицию по этим проблемам и возможностям - и предложит любой путь развития к общей теории так называемого механосинтеза. Однако в нанотехнологическом отчете Королевского общества молекулярное производство вообще не рассматривалось, за исключением того, что оно было отклонено вместе с серой слизью.

Текущие технические предложения для нанофабрик не включают самовоспроизводящихся нанороботов, а недавние этические нормы запрещают развитие неограниченных возможностей самовоспроизводства в наномашинах. [3] [4]

Алмазный механосинтез [ править ]

Растет количество рецензируемых теоретических работ по синтезу алмаза путем механического удаления / добавления атомов водорода [5] и осаждения атомов углерода [6] [7] [8] [9] [10] [11] » (известный процесс как алмазный механосинтез или ДМС [12] ). Например, в статье 2006 года в рамках этого продолжающегося исследования Фрейтаса, Меркла и их сотрудников сообщается, что наиболее изученный мотив всплывающей подсказки механосинтеза (DCB6Ge) успешно помещает димер углерода C 2 на поверхность алмаза C (110) как при 300 K ( комнатная температура) и 80 К ( жидкий азоттемпература), и что кремниевый вариант (DCB6Si) также работает при 80 К, но не при 300 К. Эти всплывающие подсказки предназначены для использования только в тщательно контролируемой среде (например, в вакууме). Максимально допустимые пределы ошибок перемещения и вращения всплывающей подсказки указаны в документе III - всплывающие подсказки должны располагаться с большой точностью, чтобы избежать неправильного связывания димера. В это исследование было вложено более 100 000 процессорных часов.

Мотив всплывающей подсказки DCB6Ge, первоначально описанный на конференции Foresight в 2002 году, был первой полной всплывающей подсказкой, когда-либо предложенной для механосинтеза алмаза, и остается единственным мотивом всплывающей подсказки, который был успешно смоделирован для его предполагаемой функции на полной поверхности алмаза из 200 атомов. Хотя в более ранней статье для этой подсказки дается прогнозируемая скорость размещения 1 димер в секунду, этот предел был наложен низкой скоростью перезарядки инструмента с использованием неэффективного метода подзарядки [8]и не основан на каких-либо внутренних ограничениях в скорости использования заряженной всплывающей подсказки. Кроме того, не было предложено никаких средств восприятия для различения трех возможных результатов попытки размещения димера - отложения в правильном месте, отложения в неправильном месте и невозможности размещения димера вообще - потому что первоначальное предложение заключалось в размещении всплывающей подсказки. с помощью точного расчета, с правильной реакцией, гарантированной путем разработки соответствующей химической энергетики и относительной силы связи для взаимодействия всплывающей подсказки с поверхностью.

Более поздняя теоретическая работа [13] анализирует полный набор из девяти молекулярных инструментов, сделанных из водорода, углерода и германия, способных (а) синтезировать все инструменты в наборе (б) перезарядить все инструменты в наборе из соответствующих молекул исходного сырья и (в) синтезировать широкий спектр жестких углеводородов (алмаз, графит, фуллерены и тому подобное). Все необходимые реакции анализируются стандартными ab initio методами квантовой химии.

Дальнейшие исследования [14] для рассмотрения альтернативных советов потребуют трудоемкой вычислительной химии и сложной лабораторной работы. В начале 2000-х типичная экспериментальная установка заключалась в том, чтобы прикрепить молекулу к наконечнику атомно-силового микроскопа , а затем использовать возможности точного позиционирования микроскопа, чтобы протолкнуть молекулу на наконечнике в другую на подложке. Поскольку углы и расстояния можно точно контролировать, а реакция происходит в вакууме, возможны новые химические соединения и устройства.

История [ править ]

Техника механического перемещения отдельных атомов была предложена Эриком Дрекслером в его книге 1986 года «Двигатели творения» .

В 1988 году исследователи из Цюрихского научно-исследовательского института IBM успешно написали буквы «IBM» в атомах ксенона на криогенной поверхности меди, что в значительной степени подтвердило этот подход. С тех пор в ряде исследовательских проектов были предприняты попытки использовать аналогичные методы для компактного хранения компьютерных данных. Совсем недавно этот метод использовался для исследования новой физической химии, иногда с использованием лазеров для возбуждения наконечников до определенных энергетических состояний или для изучения квантовой химии определенных химических связей.

В 1999 г. была предложена экспериментально подтвержденная методология, названная ориентированным на объекты сканированием [15] [16] (FOS). Методология ориентированного на элементы сканирования позволяет точно контролировать положение зонда сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) на атомной поверхности при комнатной температуре. Предлагаемая методика поддерживает полностью автоматическое управление одно- и многозондовыми приборами при решении задач механосинтеза и восходящего нанофабрикации .

В 2003 году Оябу и др. [17] сообщили о первом случае чисто механического образования ковалентных связей и разрыва связей, то есть о первой экспериментальной демонстрации истинного механосинтеза - хотя и с кремнием, а не с атомами углерода.

В 2005 г. была подана первая заявка на патент на механосинтез алмаза [18] .

В 2008 году был предложен грант в размере 3,1 миллиона долларов [19] для финансирования разработки доказательной системы механосинтеза.

См. Также молекулярную нанотехнологию , более общее объяснение возможных продуктов и обсуждение других методов сборки.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сотрудничество с нанофабриками . Molecularassembler.com. Проверено 23 июля 2011.
  2. ^ Технические проблемы нанофабрики . Molecularassembler.com. Проверено 23 июля 2011.
  3. ^ Рекомендации по молекулярной нанотехнологии . Foresight.org. Проверено 23 июля 2011.
  4. ^ N04FR06-стр.15.pmd . (PDF). Проверено 23 июля 2011.
  5. ^ Темелсо, Берхане; Шерилл, К. Дэвид; Merkle, Ralph C .; Фрейтас, Роберт А. (2006). «Исследования высокого уровня Ab Initio по извлечению водорода из прототипных углеводородных систем» (PDF) . Журнал физической химии . 110 (38): 11160–11173. Bibcode : 2006JPCA..11011160T . CiteSeerX  10.1.1.154.7331 . DOI : 10.1021 / jp061821e . PMID  16986851 .
  6. ^ Меркл, RC; Фрейтас-младший, РА (2003). «Теоретический анализ инструмента для размещения димеров углерод-углерод для механосинтеза алмаза» (PDF) . Журнал нанонауки и нанотехнологий . 3 (4): 319–24. DOI : 10,1166 / jnn.2003.203 . PMID 14598446 .  
  7. ^ Пэн, Цзинпин; Freitas, Robert A .; Меркл, Ральф С. (2004). "Теоретический анализ механосинтеза алмаза. Часть I. Стабильность C 2 -опосредованного роста поверхности C (110) нанокристаллического алмаза" (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 1 : 62–70. DOI : 10,1166 / jctn.2004.007 . Архивировано из оригинального (PDF) 16 марта 2009 г.
  8. ^ a b Манн, Дэвид Дж .; Пэн, Цзинпин; Freitas, Robert A .; Меркл, Ральф С. (2004). «Теоретический анализ механосинтеза алмаза. Часть II. C 2 -опосредованный рост поверхности алмаза C (110) с помощью инструментов для размещения димеров Si / Ge-Triadamantane» (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 1 : 71–80. DOI : 10,1166 / jctn.2004.008 .
  9. ^ Сурина, Ольга; Королев, Николай (2005). «Дизайн и анализ молекулярного инструмента для переноса углерода в механосинтезе» (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 2 (4): 492–498. Bibcode : 2005JCTN .... 2..492S . DOI : 10,1166 / jctn.2005.003 .
  10. ^ Де Федерико, Мигель; Хайме, Карлос (2006). «Теоретический анализ механосинтеза алмаза. Часть III. Позиционное осаждение C 2 на поверхность алмаза C (110) с использованием инструментов для размещения димеров на основе Si / Ge / Sn» (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 3 (6): 874–879. arXiv : cond-mat / 0605239 . Bibcode : 2006JCTN .... 3..624S . DOI : 10,1166 / jctn.2006.003 .
  11. ^ Инь, Чжи-Сян; Цуй, Цзянь-Чжун; Лю, Вэньбинь; Ши, Сяо-Хун; Сюй, Цзинь (2007). "Горизонтальные мотивы размещения димера C 2 на основе Ge-замещенного полимантана для механосинтеза алмазов" (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 4 (7): 1243–1248. DOI : 10,1166 / jctn.2007.004 .
  12. ^ Алмазный механосинтез . Molecularassembler.com. Проверено 23 июля 2011.
  13. ^ Фрейтас младший, Роберт А.; Меркл, Ральф С. (2008). «Минимальный набор инструментов для позиционного алмазного механосинтеза» (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 5 (7): 760–861. Bibcode : 2008JCTN .... 5..760F . DOI : 10,1166 / jctn.2008.2531 .
  14. ^ Ускорение развития молекулярных нанотехнологий . www.foresight.org
  15. ↑ RV Lapshin (2004). «Методология ориентированного на признаки сканирования для зондовой микроскопии и нанотехнологий» (PDF) . Нанотехнологии . 15 (9): 1135–1151. Bibcode : 2004Nanot..15.1135L . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 15/9/006 . ISSN 0957-4484 .  ( Есть русский перевод ).
  16. ^ Р. В. Лапшин (2011). «Функциональная сканирующая зондовая микроскопия». В HS Nalwa (ред.). Энциклопедия нанонауки и нанотехнологий (PDF) . 14 . США: Американские научные издательства. С. 105–115. ISBN  978-1-58883-163-7.
  17. ^ Оябу, Noriaki; Custance, ÓШрам; Йи, Insook; Сугавара, Ясухиро; Морита, Сэйдзо (2003). «Механическое вертикальное манипулирование выбранными одиночными атомами путем мягкого наноиндентирования с использованием ближней контактной атомно-силовой микроскопии» . Письма с физическим обзором . 90 (17): 176102. Bibcode : 2003PhRvL..90q6102O . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.176102 . PMID 12786084 . 
  18. ^ Роберт А. Фрейтас-младший, «Простой инструмент для позиционного механосинтеза алмаза и метод его изготовления», Патент США 7 687 146 , выдан 30 марта 2010 г. в формате HTML. Проверено 23июля 2011 г.
  19. ^ Цифровая материя?: К механизированному механосинтезу. Архивировано 4 ноября 2011 г. в Wayback Machine . Gow.epsrc.ac.uk. Проверено 23 июля 2011.

Внешние ссылки [ править ]

  • Библиография обновляется здесь по Роберт Фрейтас
  • Институт Форсайта остается активным.
  • 2004 г. предложил практический метод обеспечения механосинтеза алмаза , Роберт Фрейтас.