Mechanosynthesis ist jede chemische Synthese, in der Reaktionsergebnisse durch den Gebrauch von mechanischen Einschränkungen beschlossen werden, reaktive Moleküle zu spezifischen molekularen Seiten zu leiten.

Einführung

In der herkömmlichen chemischen Synthese oder chemosynthesis stoßen reaktive Moleküle auf einander durch die zufällige Wärmebewegung in einer Flüssigkeit oder Dampf. In einem Hypothese aufgestellten Prozess von mechanosynthesis würden reaktive Moleküle molekularen mechanischen Systemen beigefügt, und ihre Begegnungen würden sich aus mechanischen Bewegungen ergeben, die sie in geplanten Folgen, Positionen und Orientierungen zusammenbringen. Es wird vorgesehen, dass mechanosynthesis unerwünschte Reaktionen durch das Halten potenzieller Reaktionspartner einzeln vermeiden würde, und gewünschte Reaktionen durch das Zusammenhalten von Reaktionspartnern in optimalen Orientierungen für viele Molekülschwingungszyklen stark bevorzugen würde. In der Biologie stellt der ribosome ein Beispiel eines programmierbaren mechanosynthetic Geräts zur Verfügung.

Eine primitive, sehr nichtbiologische Form von mechanochemistry ist beim kälteerzeugenden Temperaturverwenden durchgeführt worden, tunneling Mikroskope scannend. Bis jetzt stellen solche Geräte die nächste Annäherung an Herstellungswerkzeuge für die molekulare Technik zur Verfügung. Die breitere Ausnutzung von mechanosynthesis erwartet fortgeschrittenere Technologie, um molekulare Maschinensysteme mit ribosome ähnlichen Systemen als ein attraktives frühes Ziel zu bauen.

Viel von der Aufregung bezüglich fortgeschrittenen mechanosynthesis betrachtet seinen potenziellen Gebrauch im Zusammenbau von Geräten der molekularen Skala. Solche Techniken scheinen, viele Anwendungen in Medizin, Luftfahrt, Quellenförderung, Herstellung und Krieg zu haben. Die meisten theoretischen Erforschungen von fortgeschrittenen Maschinen dieser Art haben sich darauf konzentriert, Kohlenstoff wegen der vielen starken Obligationen zu verwenden, die es, die vielen Typen der Chemie diese Obligationen Erlaubnis und Dienstprogramm dieser Obligationen in medizinischen und mechanischen Anwendungen bilden kann. Kohlenstoff-Form-Diamant, zum Beispiel, der, wenn preiswert verfügbar, würde ein ausgezeichnetes Material für viele Maschinen sein. Es ist namentlich von K. Eric Drexler angedeutet worden, dass mechanosynthesis für die molekulare Herstellung grundsätzlich sein wird, die auf dem nanofactories gestützt ist, der dazu fähig ist, makroskopische Gegenstände mit der Atompräzision zu bauen. Das Potenzial für diese, ist namentlich vom Hofdichter von Nobel Richard Smalley diskutiert worden (wer vorgeschlagen hat und eine unausführbare Annäherung kritisiert hat, die auf kleinen Fingern gestützt ist) - sieh Nanotechnologie.

Die Nanofactory Kollaboration, die von Robert Freitas und Ralph Merkle 2000 gegründet ist, ist eine eingestellte andauernde Anstrengung, die 23 Forscher von 10 Organisationen und 4 Ländern einbezieht, der eine praktische Forschungstagesordnung entwickelt, die spezifisch auf den Stellungs-kontrollierten Diamanten mechanosynthesis und diamondoid nanofactory Entwicklung gerichtet ist.

In der Praxis ist das Bekommen genau eines Moleküls zu einem bekannten Platz auf dem Tipp des Mikroskops möglich, aber hat sich schwierig erwiesen zu automatisieren. Da praktische Produkte mindestens mehrere hundert Millionen Atome verlangen, hat sich diese Technik praktisch im Formen eines echten Produktes noch nicht erwiesen.

Die Absicht einer Linie der mechanoassembly Forschung konzentriert sich darauf, diese Probleme durch die Kalibrierung und Auswahl an passenden Synthese-Reaktionen zu überwinden. Einige schlagen vor zu versuchen, einen spezialisierten, sehr kleines (ungefähr 1,000 Nanometer auf einer Seite) Werkzeugmaschine zu entwickeln, die Kopien von sich mit mechanochemical Mittel unter der Kontrolle eines Außencomputers bauen kann. In der Literatur wird solch ein Werkzeug einen Monteur oder molekularen Monteur genannt. Sobald Monteure bestehen, konnte geometrisches Wachstum (Richtung von Kopien, um Kopien zu machen), die Kosten von Monteuren schnell reduzieren. Die Kontrolle durch einen Außencomputer sollte dann großen Gruppen von Monteuren erlauben, große, nützliche Projekte zur Atompräzision zu bauen. Ein solches Projekt würde Förderbänder des molekularen Niveaus mit dauerhaft bestiegenen Monteuren verbinden, um eine Fabrik zu erzeugen.

Teilweise, um das und verwandte Fragen über die Gefahren von Industrieunfällen und populären Ängste vor flüchtigen Ereignissen aufzulösen, die zu Katastrophen von Tschernobyl und Bhopal und dem entfernteren Problem von ecophagy, grauer Schmiere und grüner Schmiere (verschiedene potenzielle Katastrophen gleichwertig sind, die aus flüchtigen Wiederholangaben entstehen, die mit mechanosynthesis gebaut werden konnten) das Vereinigte Königreich Königliche Gesellschaft und das Vereinigte Königreich, hat die Königliche Akademie der Technik 2003 eine Studie beauftragt, sich mit diesen Problemen und größeren sozialen und ökologischen Implikationen zu befassen, die von Maschinenbau-Professor Ann Dowling geführt sind. Wie man voraussah, hat das von einigen eine starke Position auf diesen Problemen und Potenzialen genommen - und jeden Entwicklungspfad zu einer allgemeinen Theorie von so genanntem mechanosynthesis angedeutet. Jedoch hat der Nanotech-Bericht der Königlichen Gesellschaft molekulare Herstellung überhaupt nicht gerichtet, außer, es zusammen mit der grauen Schmiere abzuweisen.

Aktuelle technische Vorschläge für nanofactories schließen das Selbstwiederholen nanorobots nicht ein, und neue Moralrichtlinien würden Entwicklung von zwanglosen Selbsterwiderungsfähigkeiten in nanomachines verbieten.

Diamant mechanosynthesis

Es gibt einen wachsenden Körper der von Experten begutachteten theoretischen Arbeit am Synthetisieren des Diamanten durch das mechanische Entfernen/Hinzufügen von Wasserstoffatomen und das Niederlegen von Kohlenstoff-Atomen (ein Prozess, der als Diamant mechanosynthesis oder DMS bekannt ist).

Zum Beispiel berichtet das 2006-Papier in dieser ständigen Forschungsanstrengung durch Freitas, Merkle und ihre Mitarbeiter, dass der am meisten studierte mechanosynthesis tooltip Motiv (DCB6Ge) erfolgreich einen C Kohlenstoff dimer auf einem C (110) Diamantoberfläche an beider 300 K (Raumtemperatur) und 80 K (flüssige Stickstoff-Temperatur) legt, und dass die Silikonvariante (DCB6Si) auch an 80 K, aber nicht an 300 K arbeitet. Diese tooltips sind beabsichtigt, um nur in sorgfältig kontrollierten Umgebungen (z.B, Vakuum) verwendet zu werden. Maximale annehmbare Grenzen für tooltip misplacement und Übersetzungsrotationsfehler werden in der Zeitung III — tooltips berichtet muss mit der großen Genauigkeit eingestellt werden, um zu vermeiden, den dimer falsch zu verpfänden. Mehr als 100,000 Zentraleinheitsstunden wurden in dieser Studie investiert.

Der DCB6Ge tooltip Motiv, das am Anfang auf einer Voraussicht-Konferenz 2002 beschrieben ist, war der erste ganze tooltip, der jemals für den Diamanten mechanosynthesis vorgeschlagen ist, und bleibt das einzige tooltip Motiv, das für seine beabsichtigte Funktion auf einer vollen 200-Atome-Diamantoberfläche erfolgreich vorgetäuscht worden ist. Obwohl eine frühe Zeitung eine vorausgesagte Stellen-Geschwindigkeit von 1 dimer pro Sekunde für diesen tooltip gibt, wurde diese Grenze durch die langsame Geschwindigkeit festgesetzt, das Werkzeug mit einer ineffizienten Wiederladen-Methode wieder zu laden, und basiert auf keiner innewohnenden Beschränkung in der Geschwindigkeit des Gebrauches eines beladenen tooltip. Zusätzlich bedeutet keine Abfragung wurde vorgeschlagen, um unter den drei möglichen Ergebnissen eines versuchten dimer Stellens — Absetzung an der richtigen Position, Absetzung an der falschen Position und Misserfolg zu unterscheiden, den dimer überhaupt zu legen —, weil der anfängliche Vorschlag war, den tooltip durch das Koppeln, mit der richtigen gesicherten Reaktion durch das Entwerfen passenden chemischen energetics und Verhältnisband-Kräfte für die Tooltip-Oberflächenwechselwirkung einzustellen.

Neuere theoretische Arbeit analysiert einen ganzen Satz von neun molekularen von Wasserstoff gemachten Werkzeugen, Kohlenstoff und zu (a) fähiges Germanium synthetisieren alle Werkzeuge im Satz (b) laden alle Werkzeuge im Satz von passenden feedstock Molekülen wieder, und (c) synthetisieren eine breite Reihe von steifen Kohlenwasserstoffen (Diamant, Grafit, fullerenes, und ähnlich). Alle erforderlichen Reaktionen werden mit dem Standard ab initio Quant-Chemie-Methoden analysiert.

Weitere Forschung, um abwechselnde Tipps zu denken, wird zeitraubende rechenbetonte Chemie und schwierige Laborarbeit verlangen.

Am Anfang der 2000er Jahre war eine typische experimentelle Einordnung, ein Molekül dem Tipp eines Atomkraft-Mikroskops beizufügen, und dann die genauen geistigen Positionierungsanlagen des Mikroskops zu verwenden, das Molekül auf dem Tipp in einen anderen auf einem Substrat zu stoßen. Da die Winkel und Entfernungen genau kontrolliert werden können, und die Reaktion in einem Vakuum vorkommt, sind neuartige chemische Zusammensetzungen und Maßnahmen möglich.

Geschichte

Die Technik, einzelne Atome zu bewegen, wurde mechanisch von Eric Drexler vorgeschlagen seinen 1986 bestellen Die Motoren der Entwicklung vor.

1988 haben Forscher am Zürich Forschungsinstitut von IBM erfolgreich die Briefe "IBM" in xenon Atomen auf einer kälteerzeugenden Kupferoberfläche buchstabiert, äußerst die Annäherung gültig machend. Seitdem haben sich mehrere Forschungsprojekte erboten, ähnliche Techniken zu verwenden, um Computerdaten auf eine Kompaktmode zu versorgen. Mehr kürzlich ist die Technik verwendet worden, um neuartige physische Chemie manchmal mit Lasern zu erforschen, um die Tipps zu besonderen Energiestaaten zu erregen, oder die Quant-Chemie von besonderen chemischen Obligationen zu untersuchen.

1999 hat eine experimentell bewiesene Methodik gerufen Eigenschaft-orientierte Abtastung (FOS) wurde angedeutet. Die Eigenschaft-orientierte Abtastungsmethodik erlaubt genau, die Position der Untersuchung einer Abtastung des Untersuchungsmikroskops (SPM) auf einer Atomoberfläche bei der Raumtemperatur zu kontrollieren. Die angedeutete Methodik unterstützt vollautomatische Kontrolle der Single - und Mehruntersuchungsinstrumente im Lösen von Aufgaben von mechanosynthesis und von unten nach oben nanofabrication.

2003 hat Oyabu. das erste Beispiel des rein mechanischen covalent Band-Bildens und Band-Brechens, d. h., die erste experimentelle Demonstration von wahrem mechanosynthesis — obgleich mit Silikon-aber nicht Kohlenstoff-Atomen gemeldet.

2005 wurde die erste offene Anwendung auf dem Diamanten mechanosynthesis abgelegt.

2008 wurde eine Bewilligung von $ 3.1 Millionen vorgeschlagen, um die Entwicklung eines Beweises des Grundsatzes mechanosynthesis System finanziell zu unterstützen.

Siehe auch molekulare Nanotechnologie, eine allgemeinere Erklärung der möglichen Produkte und Diskussion anderer Zusammenbau-Techniken.

Außenverbindungen

• Bibliografie aktualisiert hier von Robert Freitas
• Das Voraussicht-Institut bleibt aktiv.
• 2004 hat praktische Methode vorgeschlagen, um Diamanten mechanosynthesis, durch Robert Freitas zu ermöglichen