Mecanosinteza

Mecanosinteza este orice sinteză chimică în care rezultatele reacției sunt determinate de utilizarea constrângerilor mecanice pentru a direcționa moleculele care reacționează în poziții moleculare specifice.

Introducere

În sinteza chimică convențională sau chemosinteza , moleculele care reacționează se întâlnesc între ele prin mișcare termică aleatorie în lichid sau vapori. Într-un proces ipotezat de mecanosinteză, moleculele care reacționează ar fi fixate la sistemele mecanice moleculare, iar întâlnirea lor întâmplătoare ar rezulta din mișcări mecanice care le reunesc în secvențe, poziții și orientări planificate. S-a anticipat că mecanosinteza va evita reacțiile nedorite prin menținerea reactanților potențiali separați, favorizând puternic reacțiile dorite și ținând reactanții împreună în orientări optime pentru multe cicluri de oscilații moleculare. În biologie, ribozomul oferă un exemplu de dispozitiv mecanosintetic programabil.

O formă ne-biologică foarte primitivă de mecanochimie a fost realizată la temperaturi criogenice folosind microscopii de tunelare . Până în prezent, astfel de dispozitive oferă cea mai apropiată abordare a instrumentelor de fabricare a ingineriei moleculare . Exploatarea mai extinsă a mecanosintezei așteaptă o tehnologie mai avansată pentru a construi sisteme de mașini moleculare , sistemele asemănătoare cu ribozomii fiind prima țintă atractivă.

O mare parte din exaltarea privind mecanosinteza avansată se referă la utilizarea sa potențială în asamblarea dispozitivelor la scară moleculară . Astfel de tehnici par să aibă multe aplicații în medicină, aviație, extragerea resurselor, fabricarea și războiul. Majoritatea explorărilor teoretice privind mașinile avansate de acest tip se concentrează pe utilizarea carbonului , datorită numeroaselor legături puternice pe care le poate forma, numeroaselor tipuri de chimie pe care aceste legături le permit și utilității lor în aplicații medicale și mecanice. Carbonul formează diamant, de exemplu, care, dacă este disponibil la un preț bun, ar fi un material excelent pentru multe mașini. S-a sugerat, în special de Kim Eric Drexler , că mecanosinteza va fi fundamentală pentru fabricarea moleculară bazată pe nanofabrici capabile să construiască obiecte macroscopice cu precizie atomică. Potențialul acestora a fost contestat, în special de Nobel Richard Smalley (care a propus și a criticat o abordare impracticabilă bazată pe degetele mici)

Același subiect în detaliu: Nanotehnologia .

Nanofactory Collaboration , ^[1] fondată de Robert Freitas și Ralph Merkle în 2000, se concentrează într-un efort continuu care implică 23 de cercetători din 10 organizații și 4 țări și dezvoltă un program concret de cercetare ^[2] care vizează în mod special mecanosinteza poziției- diamant controlat și dezvoltarea unei nanofabrică de diamant.

În practică, obținerea exact a unei molecule într-o locație cunoscută la vârful microscopului este posibilă, dar s-a dovedit dificil de automatizat. Deoarece produsele fezabile necesită cel puțin câteva sute de milioane de atomi, această tehnică nu s-a dovedit încă practică în formarea unui produs real.

Scopul unei linii de cercetare privind asamblarea mecanică este de a depăși aceste probleme de calibrare și de a selecta reacțiile de sinteză adecvate. Unii sugerează încercarea de a dezvolta o mașină-unealtă foarte mică, specializată (aproximativ 1.000 nanometri pe o parte) capabilă să facă copii de la sine folosind mijloace mecanochimice, sub controlul unui computer extern. În literatură, un astfel de instrument este numit asamblor molecular sau pur și simplu asamblator. Odată ce asamblorii există, creșterea geometrică (datorită copierii care fac copii) ar putea reduce costurile rapid. Prin urmare, controlul de pe un computer extern ar trebui să permită grupurilor mari de asamblori să construiască proiecte mari și utile cu precizie atomică. Un astfel de proiect ar combina benzile transportoare de nivel molecular cu asamblatoarele montate permanent pentru producerea unei fabrici .

Parțial pentru a rezolva acest lucru și întrebările conexe cu privire la pericolele de accidente industriale și temerile populare ale evenimentelor scăpate de sub control, echivalente în sfera de aplicare a Cernobîlului și Bhopal , și la întrebarea mai îndepărtată a ecofagiei , a cenușii goo și a ciupercii verzi (diferite catastrofe potențiale cauzate de replicanți fugari, care ar putea fi construiți folosind mecanosinteza) Royal Society și Royal Academy of Engineering din Marea Britanie în 2003 au comandat un studiu pentru a aborda aceste probleme și marile implicații sociale și ecologice, condus de profesorul de inginerie mecanică Ann Dowling. Acest lucru a fost anticipat de unii pentru a lua o poziție puternică cu privire la aceste probleme și potențialul lor - sugerând orice cale de a dezvolta o teorie generală cu privire la așa-numita mecanosinteză. Cu toate acestea, raportul de nanotehnologie al Societății Regale nu abordează deloc fabricația moleculară, cu excepția respingerii acesteia împreună cu „ goo gri ”.

Propunerile tehnice actuale pentru nanofabrici nu includ nanoroboti auto-replicabili și reclamațiile etice recente care interzic dezvoltarea rampantă a funcționalităților auto-replicante în nanomașini. ^{[3] [4]}

Mecanosinteza diamantului

Există un organism tot mai mare de peer-revizuite lucrări teoretice asupra sintezei de diamant , care constă în îndepărtarea mecanică / adăugarea de atomi de hidrogen ^[5] și sedimentabile atomi de carbon ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11]} (a proces cunoscut sub numele de mecanosinteza diamantului sau DMS (Diamond MechanoSynthesis) ^[12] ). De exemplu, o lucrare din 2006, în acest efort continuu de cercetare condus de Freitas și Merkle și colaboratorii lor, raportează că cel mai studiat tip de sfat pentru mecanosinteză (DCB6Ge) plasează cu succes un dimer de carbon C ₂ pe o suprafață de diamant C. (110), atât la 300K (temperatura camerei), cât și la 80K ( temperatura azotului lichid ) și că varianta de siliciu (DCB6Si) funcționează și la 80K, dar nu la 300K. Aceste sfaturi sunt destinate utilizării numai în medii controlate cu atenție (de exemplu, vid). Limitele maxime acceptabile pentru erorile de translație și rotație ale sfaturilor de instrumente sunt date în documentul III - sfaturile de instrumente trebuie poziționate cu mare precizie pentru a evita legarea incorectă a dimerului. Peste 100.000 de ore CPU au fost cheltuite pentru acest studiu.

Tipul DCB6Ge tooltip, descris inițial la Conferința Foresight din 2002, a fost primul tooltip cuprinzător propus vreodată pentru mecanosinteza diamantului și rămâne singurul tip de tooltip simulat cu succes pentru funcția sa proiectat pe o suprafață totală de diamant de 200 de atomi de diamant. Deși un document timpuriu oferă o rată de plasare așteptată de 1 dimer pe secundă pentru acest sfat, o limitare a fost impusă de viteza redusă de reîncărcare a instrumentului folosind o metodă de reîncărcare ineficientă ^[13] și nu se bazează pe nicio limitare inerentă. de sfatul de instrument încărcat. În plus, nu au fost propuse mijloace de detectare pentru a discrimina între cele trei rezultate posibile ale unei încercări de a plasa dimerul în poziția corectă - depunerea în locul greșit și eșecul total al plasării acestuia, deoarece scopul inițial a fost plasarea sfatului cu calculul mort , cu reacția adecvată garantată printr-un design energetic chimic corect și prin forțele de legătură aferente pentru interacțiunea de suprafață a sfatului.

Cercetările ulterioare ^[14] luând în considerare sfaturi alternative vor necesita perioade lungi de chimie computațională și lucrări dificile de laborator. La începutul anilor 2000, un aranjament experimental tipic era acela de a atașa o moleculă la vârful unui microscop cu forță atomică și apoi de a folosi capacitățile precise de poziționare ale microscopului pentru a împinge molecula de la vârf într-o alta pe un substrat. Deoarece unghiurile și distanțele pot fi controlate cu precizie și reacția are loc în vid, sunt posibile aranjamente și noi compuși chimici.

Istorie

Tehnica mișcării atomilor individuali mecanic a fost propusă de Eric Drexler în cartea sa din 1986, Motoarele creației .

În 1988, cercetătorii de la Institutul de Cercetare IBM din Zurich au scris corect literele „IBM” în atomi de xenon pe o suprafață de cupru criogenică, validând grosolan abordarea. De atunci, o serie de proiecte de cercetare au început să utilizeze tehnici similare pentru a stoca datele computerului într-un mod compact. Mai recent, tehnica a fost utilizată pentru a explora chimia fizică nouă, uneori folosind lasere pentru a excita vârfurile anumitor stări de energie sau pentru a examina chimia cuantică a anumitor legături chimice.

În 2003, Oyabu și colab. ^{[15] a} raportat primul caz de creare a legăturilor covalente și de legături de rupere bazate exclusiv pe acțiune mecanică, adică prima demonstrație experimentală a mecanosintezei adevărate, deși cu atomi de siliciu și non-carbon.

În 2005 a fost prezentată prima cerere brevetată privind mecanosinteza diamantului. ^[16]

În 2008, a fost propusă o subvenție de 3,1 milioane de dolari ^[17] pentru a finanța dezvoltarea unei dovezi de principiu a sistemului de mecanosinteză.

A se vedea, de asemenea, nanotehnologia moleculară , o explicație mai generală a posibilelor produse și o discuție despre alte tehnici de asamblare.

Notă

linkuri externe

• ( RO ) Bibliografie actualizată aici de Robert Freitas
• ( EN ) Institutul de previziune rămâne activ.
• ( EN ) 2004 Metodă practică propusă pentru a permite mecanosinteza diamantului , de Robert Freitas