Молекулярная нанотехнология

Кинезин — белковый комплекс, функционирующий как молекулярная биологическая машина . Он использует динамику белковых доменов на наномасштабах .

Молекулярная нанотехнология ( МНТ ) — это технология, основанная на способности создавать структуры сложных атомных характеристик посредством механосинтеза . Это отличается от наноразмерных материалов . Основанная на Ричарда Фейнмана представлении о миниатюрных фабриках, использующих наномашины для создания сложных продуктов ( включая дополнительные наномашины ), эта передовая форма нанотехнологии (или молекулярного производства) ) будет использовать механосинтез с позиционным управлением, управляемый молекулярными машинными системами. MNT предполагает объединение физических принципов, продемонстрированных биофизикой , химией , другими нанотехнологиями и молекулярными механизмами жизни , с принципами системной инженерии, обнаруженными на современных макромасштабных фабриках.

Рибосома – это биологическая машина .

Введение

В то время как традиционная химия использует неточные процессы, дающие неточные результаты, а биология использует неточные процессы для получения точных результатов, молекулярная нанотехнология будет использовать оригинальные точные процессы для получения точных результатов. Целью молекулярной нанотехнологии было бы сбалансировать молекулярные реакции в позиционно-контролируемых местах и ​​​​ориентациях для получения желаемых химических реакций, а затем построить системы путем дальнейшей сборки продуктов этих реакций.

Дорожная карта развития MNT — это цель широкомасштабного технологического проекта, возглавляемого Баттеллом (менеджером нескольких национальных лабораторий США) и Институтом прогнозирования . Первоначально планировалось, что дорожная карта будет завершена к концу 2006 года, но была опубликована в январе 2008 года. Сотрудничество «Нанофабрика» это более целенаправленная постоянная работа с участием 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, которая разрабатывает программу практических исследований. специально направлен на позиционно-управляемый алмазный механосинтез и развитие алмазоидных нанофабрик. организовал рабочую группу, состоящую из более чем 50 международных экспертов из различных областей, В августе 2005 года Центр ответственных нанотехнологий для изучения социальных последствий молекулярных нанотехнологий.

Прогнозируемые приложения и возможности

Умные материалы и наносенсоры

Любой материал, спроектированный и спроектированный в нанометровом масштабе для конкретной задачи, является «умным» материалом . Если бы можно было разработать материалы, способные по-разному реагировать на различные молекулы, искусственные лекарства могли бы распознавать и инертизировать определенные вирусы . Самовосстанавливающиеся структуры небольшие естественным образом восстанавливают разрывы на поверхности так же, как человеческая кожа.

Наносенсор будет напоминать интеллектуальный материал, включающий небольшой компонент внутри более крупной машины, который будет реагировать на окружающую среду и меняться каким-то фундаментальным, преднамеренным образом. Очень простой пример: фотосенсор может пассивно измерять падающий свет и разряжать поглощенную энергию в виде электричества, когда свет проходит выше или ниже определенного порога, отправляя сигнал более крупной машине. Предполагается, что такой датчик будет стоить дешевле. и потребляют меньше энергии, чем обычный датчик, и при этом эффективно работают во всех тех же приложениях — например, включают освещение на парковке, когда стемнеет.

Хотя интеллектуальные материалы и наносенсоры являются примерами полезных применений МНТ, они меркнут по сравнению со сложностью технологии, наиболее часто ассоциируемой с этим термином: реплицирующийся наноробот .

Репликация нанороботов

Нанопроизводство МНТ обычно связывают с идеей о том, что стаи скоординированных наноразмерных роботов работают вместе, что является популяризацией раннего предложения К. Эрика Дрекслера в его обсуждениях МНТ в 1986 году , но замененного в 1992 году . В этом раннем предложении достаточно способные нанороботы будут создавать больше нанороботов в искусственной среде, содержащей специальные молекулярные строительные блоки.

Критики сомневаются как в возможности создания самовоспроизводящихся нанороботов , так и в возможности контроля, если самовоспроизводящиеся нанороботы могут быть созданы: они ссылаются на возможность мутаций, устраняющих любой контроль и способствующих воспроизводству мутантных патогенных вариаций. Защитники решают первое сомнение, указывая, что первый макромасштабный автономный репликатор машины, сделанный из блоков Lego , был построен и экспериментально эксплуатировался в 2002 году. Несмотря на то, что на макроуровне присутствуют сенсорные преимущества по сравнению с ограниченным сенсориумом, доступным на наноуровне, в предложениях по наномасштабным механосинтетическим производственным системам с позиционным управлением используется точный расчет подсказок в сочетании с надежным дизайном последовательности реакций для обеспечения надежных результатов, следовательно, ограниченный сенсориум не является помехой. ; аналогичные соображения применимы и к позиционной сборке небольших наночастей. Защитники решают второе сомнение, утверждая, что бактерии (по необходимости) эволюционируют, чтобы развиваться, в то время как мутацию нанороботов можно активно предотвращать с помощью обычных методов исправления ошибок . Подобные идеи отстаиваются в Руководстве по прогнозированию молекулярных нанотехнологий. и карта 137-мерного пространства проектирования репликатора. В недавно опубликованной Фрейтасом и Меркле статье представлены многочисленные предложенные методы, с помощью которых репликаторы в принципе можно безопасно контролировать при правильном проектировании.

Однако концепция подавления мутаций поднимает вопрос: как может эволюция дизайна происходить на наноуровне без процесса случайной мутации и детерминированного отбора? Критики утверждают, что сторонники MNT не предоставили замену такому процессу эволюции на этой наномасштабной арене, где отсутствуют традиционные процессы отбора, основанные на сенсорных ощущениях. Ограничения сенсориума, доступного на наноуровне, могут затруднить или сделать невозможным отделение успехов от неудач. Сторонники утверждают, что эволюция дизайна должна происходить детерминированно и строго под контролем человека с использованием традиционной инженерной парадигмы моделирования, проектирования, прототипирования, тестирования, анализа и редизайна.

В любом случае, с 1992 года технические предложения по MNT не включают самовоспроизводящихся нанороботов, а недавние этические рекомендации, выдвинутые сторонниками MNT, запрещают неограниченное самовоспроизведение.

Медицинские нанороботы

Одним из наиболее важных применений МНТ может стать медицинская наноробототехника или наномедицина — область, впервые описанная Робертом Фрейтасом в многочисленных книгах. и бумаги. Способность проектировать, создавать и использовать большое количество медицинских нанороботов, как минимум, сделает возможным быстрое устранение болезней и надежное и относительно безболезненное восстановление после физических травм. Медицинские нанороботы также могут сделать возможным удобное исправление генетических дефектов и помочь значительно увеличить продолжительность жизни. Еще более спорно то, что медицинские нанороботы могут быть использованы для увеличения естественных человеческих способностей . В одном исследовании сообщалось о том, как такие состояния, как опухоли, атеросклероз , тромбы, приводящие к инсульту, накопление рубцовой ткани и локализованные очаги инфекции. с помощью медицинских нанороботов можно лечить

Коммунальный туман

Схема фоглета диаметром 100 микрометров

Еще одно предлагаемое применение молекулярной нанотехнологии — « служебный туман ». — в котором облако сетевых микроскопических роботов (более простых, чем ассемблеры ) будет менять свою форму и свойства, чтобы формировать макроскопические объекты и инструменты в соответствии с командами программного обеспечения. Вместо того, чтобы изменить нынешнюю практику потребления материальных благ в различных формах, туман полезности просто заменит многие физические объекты.

Оптика с фазированной решеткой

Еще одним предлагаемым применением МНТ может стать оптика с фазированной решеткой (ПАО). Однако, похоже, эту проблему можно решить с помощью обычных нанотехнологий. ПАО будет использовать принцип миллиметровой технологии с фазированной решеткой, но на оптических длинах волн. Это позволило бы дублировать любой оптический эффект, но виртуально. Пользователи могли заказывать голограммы, восходы и закаты или плавающие лазеры в зависимости от настроения. Системы ПАО были описаны в книге BC Crandall «Нанотехнология: молекулярные размышления о глобальном изобилии» в статье Брайана Вока «Оптика с фазированной решеткой».

Потенциальные социальные последствия

Молекулярное производство — это потенциальная будущая область нанотехнологий, которая позволит создавать сложные структуры с атомной точностью. Молекулярное производство требует значительных достижений в области нанотехнологий, но как только они будут достигнуты, на нанофабриках можно будет производить высокотехнологичные продукты с низкими затратами и в больших количествах весом от килограмма и более. Когда нанофабрики получат возможность производить другие нанофабрики, производство может быть ограничено только относительно обильными факторами, такими как исходные материалы, энергия и программное обеспечение.

Продукты молекулярного производства могут варьироваться от более дешевых, массово производимых версий известных высокотехнологичных продуктов до новых продуктов с дополнительными возможностями во многих областях применения. Некоторые из предложенных приложений — это передовые интеллектуальные материалы , наносенсоры, медицинские нанороботы и космические путешествия. Кроме того, молекулярное производство может быть использовано для дешевого производства высокотехнологичного и прочного оружия, что вызывает особую озабоченность с точки зрения воздействия нанотехнологий. Будучи оснащенными компактными компьютерами и двигателями, они могут стать более автономными и иметь широкий спектр возможностей.

По мнению Криса Феникса и Майка Тредера из Центра ответственных нанотехнологий , а также Андерса Сандберга из Института будущего человечества, молекулярное производство представляет собой применение нанотехнологий, которое представляет собой наиболее значительный глобальный катастрофический риск . Некоторые исследователи нанотехнологий заявляют, что основная часть риска, связанного с нанотехнологиями, связана с возможностью привести к войне, гонке вооружений и деструктивному глобальному правительству. Было предложено несколько причин, почему наличие нанотехнологического оружия со значительной вероятностью может привести к нестабильной гонке вооружений (по сравнению, например, с гонкой ядерных вооружений): (1) Большое количество игроков может испытать искушение вступить в гонку, поскольку порог для этого установлен. низкий; (2) возможность производить оружие с помощью молекулярного производства будет дешевым и его будет легко скрыть; (3) поэтому отсутствие понимания возможностей других сторон может побудить игроков из осторожности вооружиться или нанести упреждающий удар; (4) молекулярное производство может снизить зависимость от международной торговли, потенциальный фактор содействия миру; (5) агрессивные войны могут представлять меньшую экономическую угрозу для агрессора, поскольку производство дешево и люди могут не понадобиться на поле боя.

Поскольку саморегулирование со стороны всех государственных и негосударственных субъектов кажется труднодостижимым, Меры по снижению рисков, связанных с войной, в основном предлагались в сфере международного сотрудничества . Международная инфраструктура может быть расширена, предоставив больше суверенитета международному уровню. Это могло бы помочь скоординировать усилия по контролю над вооружениями. международные учреждения, специализирующиеся на нанотехнологиях (возможно, по аналогии с Международным агентством по атомной энергии МАГАТЭ ) или общем контроле над вооружениями. Также могут быть созданы Можно также совместно добиться дифференцированного технологического прогресса в области оборонительных технологий — политика, которую игроки обычно должны отдавать предпочтение. Центр ответственных нанотехнологий также предлагает некоторые технические ограничения. Повышение прозрачности в отношении технологических возможностей может стать еще одним важным фактором, способствующим контролю над вооружениями.

Серая слизь — еще один катастрофический сценарий, предложенный Эриком Дрекслером в его книге «Машины созидания» 1986 года . был проанализирован Фрейтасом в книге «Некоторые ограничения глобальной экофагии, создаваемой биоядными нанорепликаторами, с рекомендациями государственной политики». и было темой основных средств массовой информации и художественной литературы. В этом сценарии участвуют крошечные самовоспроизводящиеся роботы, которые поглощают всю биосферу, используя ее в качестве источника энергии и строительных блоков. Эксперты по нанотехнологиям, включая Дрекслера, теперь дискредитируют этот сценарий. По словам Криса Феникса, «так называемая серая слизь могла быть только продуктом преднамеренного и сложного инженерного процесса, а не случайностью». С появлением нанобиотехнологий другой сценарий, получивший название «зеленая слизь» появился . Здесь злокачественным веществом являются не нанороботы, а самовоспроизводящиеся биологические организмы , созданные с помощью нанотехнологий.

Преимущества

Нанотехнология (или молекулярная нанотехнология, если говорить более конкретно о целях, обсуждаемых здесь) позволит нам продолжить исторические тенденции в производстве вплоть до фундаментальных ограничений, налагаемых физическим законом. Это позволит нам создать удивительно мощные молекулярные компьютеры. Это позволит нам делать материалы более чем в пятьдесят раз легче стали или алюминиевых сплавов, но с такой же прочностью. Мы сможем создавать самолеты, ракеты, автомобили и даже кресла, которые по сегодняшним меркам будут удивительно легкими, прочными и недорогими. Молекулярные хирургические инструменты, управляемые молекулярными компьютерами и вводимые в кровоток, могут находить и уничтожать раковые клетки или вторгающиеся бактерии, очищать артерии или обеспечивать кислород при нарушении кровообращения.

Нанотехнологии заменят всю нашу производственную базу новым, радикально более точным, радикально менее дорогим и радикально более гибким способом производства продукции. Целью является не просто заменить сегодняшние заводы по производству компьютерных чипов, но также заменить сборочные линии для автомобилей, телевизоров, телефонов, книг, хирургических инструментов, ракет, книжных шкафов, самолетов, тракторов и всего остального. Целью является всеобъемлющее изменение в производстве, изменение, которое не оставит нетронутым практически ни один продукт. Экономический прогресс и военная готовность в XXI веке будут фундаментально зависеть от сохранения конкурентоспособности в сфере нанотехнологий.

Несмотря на текущий ранний статус развития нанотехнологий и молекулярных нанотехнологий, большое беспокойство вызывает ожидаемое влияние MNT на экономику. и по закону . Какими бы ни были точные эффекты, MNT, если он будет достигнут, будет иметь тенденцию уменьшать дефицит промышленных товаров и делать гораздо больше товаров (таких как продукты питания и медицинские изделия) технологичными.

MNT должна сделать возможными наномедицинские возможности, способные вылечить любое заболевание, которое еще не излечено с помощью достижений в других областях. Хорошее здоровье было бы обычным явлением, а плохое здоровье в любой форме было бы такой же редкостью, как оспа и цинга сегодня . Даже крионика была бы осуществима, поскольку криоконсервированные ткани можно было бы полностью восстановить.

Риски

Молекулярная нанотехнология — одна из технологий, которая, по мнению некоторых аналитиков, может привести к технологической сингулярности , в которой технологический рост ускорился до такой степени, что имел непредсказуемые последствия. Некоторые эффекты могут быть полезными, тогда как другие могут быть вредными, например, использование молекулярных нанотехнологий недружественным искусственным интеллектом . Некоторые считают, что молекулярная нанотехнология будет сопряжена с огромными рисками. Вероятно, это могло бы позволить создать более дешевое и более разрушительное обычное оружие . Кроме того, молекулярная нанотехнология может создать оружие массового уничтожения , способное самовоспроизводиться, как это делают вирусы и раковые клетки, атакуя человеческое тело. Комментаторы в целом согласны с тем, что в случае развития молекулярной нанотехнологии ее самовоспроизведение должно быть разрешено только в строго контролируемых или «по сути безопасных» условиях.

Существует опасение, что наномеханические роботы, если они будут созданы и спроектированы так, чтобы самовоспроизводиться с использованием природных материалов (сложная задача), могут поглотить всю планету из-за своей жажды сырья. или просто вытеснить естественную жизнь, вытеснив ее за энергию (как это произошло исторически, когда появились сине-зеленые водоросли и вытеснили более ранние формы жизни). Некоторые комментаторы называют эту ситуацию сценарием « серой слизи » или « экофагии ». К. Эрик Дрекслер считает случайный сценарий «серой слизи» крайне маловероятным и говорит об этом в более поздних выпусках « Машин творения» .

В свете такого восприятия потенциальной опасности Институт Форсайта , основанный Дрекслером, подготовил ряд рекомендаций. за этическое развитие нанотехнологий. К ним относится запрет свободного кормления самовоспроизводящихся псевдоорганизмов на поверхности Земли, по крайней мере, и, возможно, в других местах.

Технические проблемы и критика

Осуществимость базовых технологий, проанализированных в «Наносистемах», стала предметом официального научного обзора Национальной академии наук США, а также стала предметом обширных дискуссий в Интернете и популярной прессе.

Исследование и рекомендации Национальной академии наук США.

В 2006 году Национальная академия наук США опубликовала отчет об исследовании молекулярного производства как часть более обширного отчета « Вопрос размера: трехлетний обзор Национальной нанотехнологической инициативы». Исследовательский комитет рассмотрел техническое содержание « Наносистем» и в своем заключении заявил, что ни один текущий теоретический анализ не может считаться окончательным в отношении некоторых вопросов потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути внедрения высокопроизводительных систем не могут быть предсказаны с уверенностью. Он рекомендует экспериментальные исследования для расширения знаний в этой области:

«Хотя теоретические расчеты могут быть сделаны сегодня, в конечном итоге достижимый диапазон циклов химических реакций, уровень ошибок, скорость работы и термодинамическую эффективность таких восходящих производственных систем в настоящее время невозможно надежно предсказать. Таким образом, в конечном итоге достижимое совершенство и сложность производимой продукции, хотя ее можно рассчитать теоретически, невозможно предсказать с уверенностью. Наконец, в настоящее время невозможно надежно предсказать оптимальные пути исследований, которые могут привести к созданию систем, которые значительно превосходят термодинамическую эффективность и другие возможности биологических систем. Финансирование исследований, основанное на способности исследователей проводить экспериментальные демонстрации, которые связаны с абстрактными моделями и определяют долгосрочное видение, является наиболее подходящим для достижения этой цели».

Сборщики против нанофабрик

Заголовок раздела в книге Дрекслера «Машины созидания» гласит: «Универсальные ассемблеры», и следующий текст говорит о нескольких типах ассемблеров , которые вместе могут гипотетически «построить почти все, что позволяют существовать законы природы». Коллега Дрекслера Ральф Меркл отметил, что, вопреки широко распространенной легенде, Дрекслер никогда не утверждал, что ассемблерные системы могут построить абсолютно любую молекулярную структуру. В сносках в книге Дрекслера поясняется оговорка «почти»: «Например, можно спроектировать тонкую конструкцию, которая, как каменная арка, саморазрушалась бы, если бы все ее части уже не были на своих местах. Если бы в конструкции не было места Однако, по-видимому, лишь немногие конструкции, представляющие практический интерес, могут столкнуться с такой проблемой».

В 1992 году Дрекслер опубликовал книгу «Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычисления» . подробное предложение по синтезу жестких ковалентных структур с использованием настольной фабрики. Алмазоидные структуры и другие жесткие ковалентные структуры, если они будут созданы, будут иметь широкий спектр возможных применений, выходящий далеко за рамки нынешней МЭМС технологии . В 1992 году был предложен путь строительства завода по производству столешниц в условиях отсутствия сборщика. Другие исследователи начали продвигать предварительные альтернативные пути. за это в годы, прошедшие с момента публикации «Наносистем».

Жесткие и мягкие нанотехнологии

В 2004 году Ричард Джонс написал «Мягкие машины (нанотехнологии и жизнь»), книгу для непрофессионалов, опубликованную Оксфордским университетом . В этой книге он описывает радикальные нанотехнологии (поддерживаемые Дрекслером) как детерминированную/механистическую идею наноинженерных машин, которая не принимает во внимание наномасштабные проблемы, такие как влажность , липкость , броуновское движение и высокая вязкость . Он также объясняет, что такое мягкая нанотехнология или, точнее, биомиметическая нанотехнология, которая является путем вперед, если не лучшим способом разработки функциональных наноустройств, способных справиться со всеми проблемами на наноуровне. Можно думать о мягких нанотехнологиях как о разработке наномашин, которые используют уроки биологии о том, как все работает, химии для точного проектирования таких устройств и стохастической физики для детального моделирования системы и ее естественных процессов.

Дебаты Смолли-Дрекслера

Основная статья: Дебаты Дрекслера-Смэлли о молекулярных нанотехнологиях

Несколько исследователей, в том числе лауреат Нобелевской премии доктор Ричард Смолли (1943–2005), подверг критике идею универсальных ассемблеров, что привело к опровержению со стороны Дрекслера и его коллег, и в конечном итоге к обмену письмами. Смолли утверждал, что химия чрезвычайно сложна, реакции трудно контролировать и что универсальный ассемблер — это научная фантастика. Дрекслер и его коллеги, однако, отметили, что Дрекслер никогда не предлагал универсальных ассемблеров, способных сделать абсолютно все, а вместо этого предлагал более ограниченные ассемблеры, способные создавать очень широкий спектр вещей. Они поставили под сомнение соответствие аргументов Смолли более конкретным предложениям, выдвинутым в области наносистем . Кроме того, Смолли утверждал, что почти вся современная химия включает в себя реакции, протекающие в растворителе (обычно в воде ), поскольку небольшие молекулы растворителя способствуют многим вещам, например, снижению энергий связи для переходных состояний. Поскольку почти вся известная химия требует растворителя, Смолли считал, что предложение Дрекслера использовать среду высокого вакуума неосуществимо. Однако Дрекслер решает эту проблему в «Наносистемах», математически показывая, что хорошо спроектированные катализаторы могут обеспечивать эффект растворителя и, по сути, могут быть даже более эффективными, чем растворитель. ферментативная реакция может когда-либо быть. Примечательно, что, вопреки мнению Смолли о том, что ферментам требуется вода, «ферменты не только энергично работают в безводных органических средах, но и в этой неестественной среде они приобретают такие замечательные свойства, как значительно повышенная стабильность, радикально измененные субстратные и энантиомерные специфичности, молекулярная память». и способность катализировать необычные реакции».

Новое определение слова «нанотехнологии».

В будущем необходимо найти какие-то средства для развития конструкции МНТ на наноуровне, которые имитируют процесс биологической эволюции на молекулярном уровне. Биологическая эволюция происходит за счет случайных изменений средних показателей по ансамблю организмов в сочетании с отбраковкой менее успешных вариантов и воспроизводством более успешных вариантов, а макромасштабное инженерное проектирование также происходит за счет процесса эволюции дизайна от простоты к сложности, что изложено несколько сатирически. Джон Галл : «Сложная система, которая работает, неизменно оказывается эволюционировавшей из простой системы, которая работала… Сложная система, спроектированная с нуля, никогда не работает и не может быть исправлена, чтобы заставить ее работать. Вам придется начинать все сначала». , начиная с системы, которая работает». Необходим прорыв в MNT, который начнется с простых атомных ансамблей, которые могут быть построены, например, с помощью СТМ, к сложным системам MNT посредством процесса эволюции конструкции. Препятствием в этом процессе является сложность наблюдения и манипулирования на наноуровне по сравнению с макромасштабом, что затрудняет детерминированный отбор успешных испытаний; напротив, биологическая эволюция происходит посредством действий того, кого Ричард Докинз назвал «слепым часовщиком». включая случайные молекулярные вариации и детерминированное размножение/вымирание.

В настоящее время, в 2007 году, практика нанотехнологий охватывает как стохастические подходы (при которых, например, супрамолекулярная химия создает водонепроницаемые штаны), так и детерминированные подходы, при которых отдельные молекулы (созданные с помощью стохастической химии) манипулируют на поверхностях подложки (созданные методами стохастического осаждения) с помощью детерминированные методы, включающие подталкивание их с помощью зондов СТМ или АСМ и возникновение простых реакций связывания или расщепления. Мечта о сложной, детерминированной молекулярной нанотехнологии остается недостижимой. С середины 1990-х годов тысячи ученых-поверхностников и технократов, занимающихся тонкими пленками, ухватились за нанотехнологии и переопределили свои дисциплины как нанотехнологии. Это вызвало большую путаницу в этой области и породило тысячи «нано» статей в рецензируемой литературе. Большинство этих отчетов являются продолжением более обычных исследований, проведенных в основных областях.

Осуществимость предложений в Наносистемах

Наверху — молекулярный пропеллер. Внизу — молекулярно- планетарная система передач . Целесообразность создания подобных устройств подвергалась сомнению.

Таким образом, осуществимость предложений Дрекслера во многом зависит от того, смогут ли конструкции, подобные тем, что представлены в «Наносистемах», быть построены в отсутствие универсального ассемблера для их создания и будут ли они работать так, как описано. не было обнаружено никаких серьезных ошибок. в наносистемах Сторонники молекулярной нанотехнологии часто заявляют, что с 1992 года что «Дрекслер тщательно рассмотрел ряд физических принципов, лежащих в основе аспектов «высокого уровня» предлагаемых им наносистем, и, действительно, обдумал некоторые детали» над некоторыми проблемами.

Другие критики, однако, утверждают, что «Наносистемы» опускают важные химические детали низкоуровневого «машинного языка» молекулярной нанотехнологии. Они также утверждают, что большая часть другой химии низкого уровня в наносистемах требует обширной дальнейшей работы, и что поэтому проекты Дрекслера более высокого уровня основаны на спекулятивных основах. Недавние подобные дальнейшие работы Фрейтаса и Меркла. направлена ​​на укрепление этих основ путем заполнения существующих пробелов в области низкоактивной химии.

Дрекслер утверждает, что нам, возможно, придется подождать, пока наши традиционные нанотехнологии улучшатся, прежде чем решать эти проблемы: «Молекулярное производство станет результатом ряда достижений в молекулярных машинных системах, так же, как первая высадка на Луну стала результатом ряда достижений в области ракет на жидком топливе. Сейчас мы находимся в положении, подобном положению Британского межпланетного общества 1930-х годов, которое описало, как многоступенчатые ракеты на жидком топливе могут достичь Луны, и указало на первые ракеты как на иллюстрацию основного принципа». Однако Фрейтас и Меркле утверждают, что что целенаправленные усилия по достижению алмазного механосинтеза (DMS) могут начаться уже сейчас, используя существующие технологии, и могут достичь успеха менее чем через десять лет, если будет использоваться их «подход непосредственно к DMS», а не более обходной подход к разработке, направленный на реализацию менее эффективные неалмазоидные молекулярные технологии производства, прежде чем перейти к алмазоидам».

Подведем итог аргументам против осуществимости: во-первых, критики утверждают, что основным барьером на пути достижения молекулярной нанотехнологии является отсутствие эффективного способа создания машин на молекулярном/атомном уровне, особенно в отсутствие четко определенного пути к самосовершенствованию. тиражирующий ассемблер или алмазоидную нанофабрику. Защитники отвечают, что разрабатывается предварительный путь исследований, ведущий к созданию нанофабрики по производству алмазоидов.

Вторая трудность в достижении молекулярной нанотехнологии — это дизайн. Ручное проектирование шестерни или подшипника на уровне атомов может занять от нескольких до нескольких недель. Хотя Дрекслер, Меркл и другие создавали конструкции из простых деталей, не было предпринято никаких комплексных усилий по проектированию чего-либо, приближающегося по сложности к модели Т Ford. Защитники отвечают, что трудно предпринять комплексные усилия по проектированию в отсутствие значительного финансирования таких усилий, и что, несмотря на это препятствие, тем не менее, было достигнуто много полезного предварительного проектирования с помощью новых программных инструментов, которые были разработаны, например, в Nanorex.

В последнем отчете «Вопрос размера: трехлетний обзор Национальной инициативы в области нанотехнологий» опубликованный National Academies Press в декабре 2006 года (примерно через двадцать лет после публикации «Машины созидания»), пока не видно четкого пути вперед к молекулярной нанотехнологии, как следует из вывода на странице 108 этого отчета: «Хотя теоретические расчеты могут быть сделано сегодня, в конечном итоге достижимодиапазон циклов химических реакций, уровень ошибок, скорость работы и термодинамическиеэффективность таких восходящих производственных систем не может быть надежно оценена.предсказано в это время. Таким образом, в конечном итоге достижимое совершенство и сложностьпроизводимая продукция, хотя и может быть рассчитана теоретически, но не может быть предсказана.с уверенностью. Наконец, оптимальные пути исследования, которые могут привести к созданию системкоторые значительно превышают термодинамическую эффективность и другие возможностиБиологические системы в настоящее время не могут быть надежно предсказаны. Финансирование исследований, котороеоснован на способности исследователей проводить экспериментальные демонстрациичто ссылка на абстрактные модели и руководство долгосрочным видением наиболее уместна длядостичь этой цели». Этот призыв к исследованиям, ведущим к демонстрациям, приветствуется такими группами, как «Сотрудничество нанофабрик», которые специально стремятся к экспериментальным успехам в механосинтезе алмазов. «Технологическая дорожная карта для производственных наносистем » стремится предложить дополнительные конструктивные идеи.

Возможно, интересно задаться вопросом, можно ли на самом деле создать большинство структур, соответствующих физическим законам. Сторонники утверждают, что для реализации большей части идеи молекулярного производства не обязательно иметь возможность построить «любую структуру, совместимую с законами природы». Скорее, необходимо иметь возможность построить только достаточное (возможно, скромное) подмножество таких структур — что, по сути, верно для любого практического производственного процесса, используемого сегодня в мире, и верно даже в биологии. В любом случае, как однажды сказал Ричард Фейнман : «Научно только говорить, что более вероятно или менее вероятно, а не постоянно доказывать, что возможно, а что невозможно».

Существующие работы по механосинтезу алмазов

Растет число рецензируемых теоретических работ по синтезу алмаза путем механического удаления/добавления атомов водорода. и осаждение атомов углерода (процесс, известный как механосинтез ). Эта работа постепенно проникает в более широкое нанонаучное сообщество и подвергается критике. Например, Пэн и др. (2006) (в рамках продолжающихся исследований Фрейтаса, Меркла и их коллег) сообщает, что наиболее изученный мотив всплывающей подсказки механосинтеза (DCB6Ge) успешно помещает _{C 2} углерода димер C (110) на поверхность алмаза как при 300 К (комнатная температура), так и при 300 К (комнатная температура). 80 К ( температура жидкого азота ), и что кремниевый вариант (DCB6Si) также работает при 80 К, но не при 300 К. В это последнее исследование было вложено более 100 000 часов процессора. Мотив всплывающей подсказки DCB6, первоначально описанный Мерклем и Фрейтасом на конференции по прогнозированию в 2002 году, был первой полной всплывающей подсказкой, когда-либо предложенной для механосинтеза алмазов, и остается единственным мотивом всплывающей подсказки, который был успешно смоделирован для выполнения его предполагаемой функции на алмазе, состоящем полностью из 200 атомов. поверхность.

Подсказки, смоделированные в этой работе, предназначены для использования только в тщательно контролируемых средах (например, в вакууме). Максимально допустимые пределы ошибок поступательного и вращательного смещения подсказок указаны в Peng et al. (2006) — всплывающие подсказки должны располагаться с большой точностью, чтобы избежать неправильного соединения димера. Пэн и др. (2006) сообщает, что увеличение толщины ручки с 4 опорных плоскостей атомов C над кончиком инструмента до 5 плоскостей снижает резонансную частоту всей структуры с 2,0 ТГц до 1,8 ТГц. Что еще более важно, вибрационные следы подсказки DCB6Ge, установленной на ручке из 384 атомов, и той же самой подсказки, установленной на аналогично ограниченной, но гораздо большей «перекладинной» ручке из 636 атомов, практически идентичны в направлениях, не связанных с перекладиной. Приветствуются дополнительные вычислительные исследования, моделирующие еще более крупные конструкции рукояток, но способность точно позиционировать наконечники СЗМ с необходимой атомной точностью неоднократно была продемонстрирована экспериментально при низкой температуре. или даже при комнатной температуре представляющее собой основное доказательство существования этой способности.

Дальнейшие исследования рассмотрение дополнительных всплывающих подсказок потребует трудоемких математических вычислений и сложной лабораторной работы.

Действующей нанофабрике потребуется множество хорошо продуманных наконечников для различных реакций и детальный анализ размещения атомов на более сложных поверхностях. Хотя эта проблема кажется сложной, учитывая текущие ресурсы, многие инструменты будут доступны, чтобы помочь будущим исследователям: закон Мура предсказывает дальнейшее увеличение мощности компьютеров, методы производства полупроводников продолжают приближаться к наномасштабу, а исследователи становятся все более опытными в использовании белков , рибосом и ДНК для осуществления новой химии.

Художественные произведения

• В «Алмазном веке» Нила Стивенсона алмаз может быть построен непосредственно из атомов углерода. Всевозможные устройства, от устройств обнаружения размеров пыли до гигантских алмазных дирижаблей, создаются атом за атомом с использованием только атомов углерода, кислорода, азота и хлора.
• В романе Завтра» (англ. Эндрю Зальцмана « ISBN   1-4243-1027-X ), учёный использует наноробототехнику для создания жидкости, которая при попадании в кровоток делает человека практически непобедимым , учитывая, что микроскопические машины восстанавливают ткань почти мгновенно после её повреждения.
• В ролевой игре Splicers от Palladium Books человечество поддалось «чуме наноботов», которая заставляет любой объект, сделанный из недрагоценного металла, скручиваться и менять форму (иногда в подобие робота ) через несколько мгновений после прикосновения человека. Затем объект начнет атаковать человека. Это заставило человечество разработать «биотехнологические» устройства для замены тех, которые ранее изготавливались из металла.
• В телешоу Science Theater 3000 наниты Mystery (озвученные по-разному Кевином Мерфи , Полом Чаплином , Мэри Джо Пель и Бриджит Джонс ) — это самовоспроизводящиеся биоинженерные организмы, которые работают на корабле. Это микроскопические существа, которые проживают в компьютерных системах Спутника любви. (Они похожи на существ из » сериала «Звездный путь: Следующее поколение эпизода « Эволюция », в котором «наниты» захватили « Энтерпрайз » .) Наниты впервые появились в 8 сезоне. Основанные на концепции нанотехнологий , их комический бог Деятельность ex machina включала в себя такие разнообразные задачи, как немедленный ремонт и строительство, прическу, проведение нанитской вариации блошиного цирка , ведение микроскопической войны и даже уничтожение планеты Наблюдателей после опасно расплывчатой ​​просьбы Майка «позаботиться о [ ] маленькая проблема». У них также была мини-пивоварня .
• У Звездных Врат Атлантиды есть враг, состоящий из самособирающихся нанороботов, которые также превращают планету в серую слизь.
• В романе Майкла Крайтона «Жертва» самовоспроизводящиеся нанороботы создают автономные нано-рои с хищническим поведением. Главный герой должен остановить рой, прежде чем он превратится в серую слизь.
• В фильмах «Мстители: Война бесконечности» и «Мстители: Финал » Тони Старка был костюм Железного человека построен с использованием нанотехнологий.

См. также

• Нанохимия
• Зеленые нанотехнологии
• Техномиметика

Справочные работы

• Основным техническим справочным изданием по этой теме является «Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычисления» — углубленный физический анализ определенного класса потенциальных наномашин и систем молекулярного производства с обширным анализом их осуществимости и производительности. «Наносистемы» тесно связаны с докторской диссертацией Дрекслера Массачусетского технологического института «Молекулярная техника и производство с приложениями к вычислениям» . В обеих работах также обсуждаются пути развития технологий, которые начинаются со сканирующих зондов и биомолекулярных технологий.
• Дрекслер и другие расширили идеи молекулярной нанотехнологии несколькими другими книгами. Освобождая будущее: нанотехнологическая революция и . «Освобождение будущего» — это легкая для чтения книга, в которой в не слишком технической форме представлены идеи молекулярной нанотехнологии. Другие известные работы в том же духе: Nanomedicine Vol. Я и Вол. IIA Роберта Фрейтаса и кинематические самовоспроизводящиеся машины «Страница оглавления КСРМ» . Молекулярный ассемблер.com . Проверено 5 сентября 2010 г. Роберт Фрейтас и Ральф Меркл .
• Нанотехнология: молекулярные спекуляции о глобальном изобилии под редакцией BC Crandall ( ISBN   0-262-53137-2 ) предлагает интересные идеи для приложений MNT.

Внешние ссылки

• Институт Форсайта
• Главная страница - Wise-Nano для Wiki MNT
• ​​библиография доктора Фрейтаса по механосинтезу Здесь обновлена (также включает связанные методы, основанные на сканирующей зондовой микроскопии )
• Веб-сайт Роберта А. Фрейтаса-младшего, посвященный молекулярному ассемблеру.
• Нанотехнологии сейчас: основы, новости и общая информация о нанотехнологиях
• Персональный сайт и цифровой архив Эрика Дрекслера
• Национальная нанотехнологическая инициатива
• Институт молекулярного производства
• Статьи Accelering Future об MNT