Tai mažas, mažas, mažas, mažas pasaulis

Medžiagų savybės priklauso nuo jų atomų išsidėstymo. Pertvarkykite anglies atomus ir gausite deimantus. Pertvarkykite atomus dirvožemyje, vandenyje ir ore, ir turėsite žolę. Ir nuo tada, kai žmonės pirmą kartą gamino akmeninius įrankius ir titnago peilius, mes manipuliavome atomais didelėse griaustančiose statistinėse bandose liedami, frezuodami, šlifuodami ir smulkindami medžiagas. Pertvarkome atomus smėlyje, pavyzdžiui, įdedame žiupsnelį priemaišų, gaminame kompiuterių lustus. Mes tai darome vis geriau ir geriau ir galime pagaminti daugiau dalykų mažesnėmis sąnaudomis ir tiksliau nei bet kada anksčiau.

Net ir atlikdami patį tiksliausią darbą mes perkeliame atomus didžiulėmis krūvomis ir netvarkingomis krūvomis – milijonus ar milijardus vienu metu. Tačiau teorinės analizės aiškiai parodo, kad turėtume sugebėti pertvarkyti atomus ir molekules po vieną, su kiekvienu atomu tinkamoje vietoje – panašiai, kaip galėtume išdėstyti „Lego“ kaladėles, kad sukurtume pastato modelį ar paprastą mašiną. Ši technologija, dažnai vadinama nanotechnologija arba molekuline gamyba, leis daugumą gaminių padaryti lengvesnius, tvirtesnius, išmanesnius, pigesnius, švaresnius ir tikslesnius.

Ši istorija buvo mūsų 1997 m. vasario mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Pasekmės būtų puikios. Pirmiausia galėtume tęsti kompiuterių aparatinės įrangos revoliuciją iki molekulinio dydžio jungiklių ir laidų. Gebėjimas statyti daiktus po molekulės taip pat leistų mums sukurti naują konstrukcinių medžiagų klasę, kuri būtų daugiau nei 50 kartų stipresnė už tokio pat svorio plieną: Cadillac gali sverti 100 svarų; pilno dydžio sofą galima pakelti viena ranka. Gebėjimas sukurti molekulę po molekulės taip pat galėtų suteikti mums tokio tikslumo ir gudrumo chirurginių instrumentų, kad jie galėtų veikti ląsteles ir net molekules, iš kurių esame pagaminti.

Galimybė pagaminti tokius gaminius tikriausiai yra už kelių dešimtmečių. Tačiau teoriniai ir skaičiavimo modeliai užtikrina, kad užduočiai reikalingos molekulinės gamybos sistemos yra įmanomos – kad jos nepažeidžia esamų fizinių dėsnių. Šie modeliai taip pat leidžia pajausti, kaip gali atrodyti molekulinės gamybos sistema. Tai svarbus pagrindas: juk pagrindinė elektrinės relės idėja buvo žinoma XX a. 20-ajame dešimtmetyje, o mechaninio kompiuterio, valdančio iš saugomų instrukcijų rinkinio – programos – sąvoka suprata po kelerių metų. Tačiau kompiuteriai, naudojantys reles, buvo sukurti tik daug vėliau, nes nebuvo gero teorinio skaičiavimo supratimo. Šiandien mokslininkai kuria daugybę įrankių ir metodų, kurių prireiks nanotechnologijoms iš kompiuterinių modelių paversti realybe. Nors dauguma lieka teorijos sferoje, atrodo, kad nėra esminių kliūčių jų vystymuisi.

Nano įrankių skrynia

Įsivaizduokite, kad kai kuriuos laidus, tranzistorius ir kitus elektroninius komponentus įdedate į maišelį, sukratote ir ištraukiate visiškai surinktą ir paruoštą darbui. Nors tai skamba išgalvotai, toks nuostabus savaiminis surinkimas iš esmės yra tai, ką daro chemikai, kai sintetina medžiagas. Chemikas, maišydamas tirpalus stiklinėje, leidžia valdyti tam tikrų molekulių ir atomų būdingus potraukius ir atstūmimus. Menas ir mokslas išsivystė taip, kad sudarytų sąlygas atomams spontaniškai susiburti į tam tikras molekulines struktūras.

Panašiai mus supa ir įkvepia produktai, kurie yra nuostabiai sudėtingi, tačiau labai nebrangūs. Pavyzdžiui, bulvės susideda iš dešimčių tūkstančių genų ir baltymų bei sudėtingų molekulinių mechanizmų; tačiau nieko negalvojame apie šio biologijos stebuklo, sutrinto su trupučiu sviesto, valgymą. Bulvės, kaip ir daugelis kitų žemės ūkio produktų, kainuoja mažiau nei dolerį už svarą. Pagrindinė priežastis: jei bulvėse bus šiek tiek dirvožemio, vandens, oro ir saulės spindulių, bulvės gali pagaminti daugiau bulvių. Panašiai, jei galėtume sukurti bendrosios paskirties programuojamą gamybos įrenginį, galintį pasidaryti savęs kopijas – tai nanotechnologijų tyrinėtojai vadina surinkėju – tuomet ir įrenginio, ir visko, ką jis pagamino, gamybos sąnaudos būtų žemos.

Pagrindinis savaiminio surinkimo principas yra selektyvus lipnumas. Jei dvi molekulinės dalys turi viena kitą papildančias formas ir krūvio modelius, ty viena turi įdubą, kur kita turi iškilimą, arba viena turi teigiamą krūvį, o kita turi neigiamą krūvį, tada jos bus linkusios tam tikru būdu sulipti. sudaryti didesnę dalį. Šią didesnę dalį galima sujungti taip pat su kitomis dalimis, kad iš molekulinių dalių susidarytų sudėtinga visuma.

Tačiau savaiminio surinkimo nepakanka norint pagaminti platų gaminių asortimentą, kurį žada nanotechnologijos. Pavyzdžiui, jei dalys yra beatodairiškai lipnios, jas maišant, vietoj tikslių molekulinių mašinų susidarytų netvarkingos dėmės. Šią problemą galime išspręsti laikydami molekulines dalis tinkamoje padėtyje ir orientuodami, kad kai jos prisiliestų, jos susijungtų taip, kaip norime. Makroskopiniu mastu idėja, kad galime laikyti dalis rankose ir tinkamai jas sudėti viena kitos atžvilgiu, grįžta į priešistorę: mes švenčiame save kaip įrankius naudojančią rūšį. Tačiau idėja laikyti ir išdėstyti molekules yra nauja ir beveik šokiruojanti. Turi būti sukurti rankų ir rankų nanoskalės atitikmenys.

Dabartiniai pasiūlymai dėl molekulinio masto padėties nustatymo prietaisų yra panašūs į įprasto dydžio robotizuotus įrenginius, tačiau jie yra maždaug dešimt milijonų dalių didesni. Molekulinė roboto ranka galėtų sistemingai šluoti pirmyn ir atgal, pridėdama ir pašalindama nuo paviršiaus atomus, kad sukurtų bet kokią struktūrą, kurią jai nurodė kompiuteris. Tokia ranka, sudaryta iš kelių milijonų atomų, gali būti 100 nanometrų ilgio ir 30 nanometrų aplink. Nors jame būtų maždaug 100 judančių dalių, jame nebūtų naudojami jokie tepalai – tokiu mastu tepalo molekulė labiau primena smėlis. Tokie ultraminiatiūriniai įrankiai turėtų turėti galimybę išdėstyti savo antgalius mažoje atomo skersmens dalyje. Trilijonai tokių prietaisų užimtų šiek tiek daugiau nei kelis kubinius milimetrus (dėmelė, šiek tiek didesnė už smeigtuko galvutę).

Molekulines ginklus apimtų tai, dėl ko mes nesijaudiname makroskopiniu mastu: šiluminis triukšmas. Atomai ir molekulės nuolat juda ir svyruoja; kuo aukštesnė temperatūra, tuo judesys intensyvesnis. Todėl, kad išlaikytų savo padėtį, nanoskalės rankena turi būti ypač standi.

Kietiausia medžiaga aplink yra deimantas. Medžiagos stiprumas ir lengvumas priklauso nuo jungčių, laikančių jos atomus kartu, skaičiaus ir stiprumo bei nuo atomų lengvumo. Elementas, kuris geriausiai atitinka abu kriterijus, yra anglis, kuri yra lengva ir sudaro stipresnius ryšius nei bet kuris kitas atomas. Anglies ir anglies ryšys yra ypač stiprus; kiekvienas anglies atomas gali prisijungti prie keturių gretimų atomų. Tada deimante tankus stiprių jungčių tinklas sukuria stiprią, lengvą ir standžią medžiagą. Iš tiesų, kaip mes pavadinome akmens amžių, bronzos amžių ir plieno amžių pagal medžiagas, kurias galėjo pagaminti žmonės, galime pavadinti naują technologinę epochą, kurią įžengiame į deimantų amžių.

Kaip galima pagaminti tokio mastelio deimantinį įtaisą? Vienas atsakymas gaunamas pažiūrėjus, kaip šiandien auginame deimantus. Procese, kuris šiek tiek primena dažymą purškimu, deimantų sluoksnį po sluoksnio sukuriame laikydami paviršių reaktyvių vandenilio atomų ir angliavandenilių molekulių debesyje. Kai šios molekulės atsitrenkia į paviršių, jos jį pakeičia pridėdamos, pašalindamos ar pertvarkydamos atomus. Kruopščiai kontroliuodami slėgį, temperatūrą ir tikslią dujų sudėtį šiame procese, vadinamame cheminiu garų nusodinimu (CVD), galime sukurti sąlygas, palankias deimantų augimui ant paviršiaus.

Tačiau atsitiktinis paviršiaus bombardavimas reaktyviosiomis molekulėmis neužtikrina tikslios augimo proceso kontrolės; tai panašu į bandymą sukurti rankinį laikrodį naudojant smėlio pūtiklį. Mes norime, kad cheminės reakcijos vyktų būtent tose paviršiaus vietose, kurias nurodome. Antroji problema yra tai, kaip padaryti deimantų paviršių reaktyvų tam tikrose vietose, kur norime pridėti kitą atomą ar molekulę. Deimantinis paviršius paprastai yra padengtas vandenilio atomų sluoksniu. Be šio sluoksnio neapdorotas deimanto paviršius būtų labai reaktyvus, nes būtų nusagstytas nepanaudotomis (arba kabančiomis) anglies atomų jungtimis. Nors hidrinimas apsaugo nuo nepageidaujamų reakcijų, jis taip pat daro visą paviršių inertišką, todėl sunku į jį pridėti anglies (ar ko nors kito).

Kad išspręstume šią problemą, galėtume naudoti molekulinio masto įrankių rinkinį, kuris nuosekliai paruoštų paviršių ir sukurtų struktūras ant deimanto sluoksnio, atomas po atomo ir molekulė po molekulės. Pirmasis proceso žingsnis būtų vandenilio atomo pašalinimas iš konkrečios deimanto paviršiaus vietos, paliekant reaktyvų kabantį ryšį. Tai galima padaryti naudojant vandenilio abstrakcijos įrankį – molekulinę struktūrą, kurios viename gale yra didelis cheminis afinitetas vandeniliui, bet kitur ji yra inertiška. Nereaguojanti įrankio sritis yra tam tikra rankena. Įrankį laikytų molekulinis padėties nustatymo įtaisas, pvz., anksčiau aptarta molekulinė roboto ranka, ir būtų perkelta tiesiai virš tam tikrų vandenilio atomų paviršiuje, kurį norime abstrahuoti.

Tai sukuria vištienos ir kiaušinio problemą: mums reikia molekulinės roboto rankos, kad galėtume sukurti kitą molekulinę roboto ranką. Norėdami išspręsti šią problemą, tam tikru momentu turime sukurti molekulinę roboto ranką su kažkuo kitu nei molekulinė roboto ranka. Pavyzdžiui, galėtume panaudoti makroskopinį padėties nustatymo įrenginį, pvz., patobulintą esamo atominės jėgos mikroskopo versiją, kad sukurtume pirmąją molekulinę roboto ranką. Arba galime patys surinkti supaprastintą molekulinį padėties nustatymo įrenginį. Tada šie pirmieji neapdoroti padėties nustatymo įrenginiai galėtų būti naudojami geresniems.

Viena tinkama molekulė vandenilio paėmimo įrankiui yra acetileno radikalas – du anglies atomai, sujungti trigubai. Viena anglis būtų rankena ir būtų susieta su nanoskalės padėties nustatymo įrankiu. Kita anglis turi kabantį ryšį, kur vandenilio atomas būtų įprastame acetilene. Aplinka aplink įrankį būtų inertiška (įprasti pasiūlymai apima vakuumo arba inertinių dujų, pvz., kriptono arba ksenono, naudojimą).

Kai šis įrankis sukuria reaktyvią vietą, selektyviai pašalindamas vandenilio atomus nuo deimantų paviršiaus, atsiranda galimybė anglies atomus nusodinti norimose vietose. Tokiu būdu pagal planą sukuriama deimantinė struktūra, molekulė po molekulės. Vienas iš šios funkcijos pasiūlymų yra dimero nusodinimo įrankis. Dimeras yra molekulė, susidedanti iš dviejų tų pačių atomų arba molekulių, sulipusių kartu. Šiuo atveju dimeras būtų C2-du anglies atomai, sujungti triguba jungtimi. Nusodinimo įrankyje kiekviena dimero anglis būtų sujungta su didesne molekule pavieniais ryšiais su deguonies atomais.

Vandenilio paėmimo įrankis ir dimero nusodinimo įrankis veiktų kartu (žr. iliustraciją aukščiau). Pirma, abstrakcijos įrankis pašalintų du gretimus vandenilio atomus nuo deimanto paviršiaus. Dvi kabantys ryšiai reaguotų su anglies dimero galais. Ši reakcija nutrauktų anglies ir deguonies ryšius ir tada perkeltų anglies dimerą iš įrankio į paviršių. Kadangi reakcijos metu išsiskirianti energija yra daug didesnė nei šiluminis triukšmas, dimeris atsitrenks į paviršių ir ten pasiliks.

Trečias siūlomas nanostruktūrų kūrimo įrankis yra karbeno įterpimo įrankis. Karbenai – labai reaktyvūs anglies atomai su dviem kabančiomis jungtimis – reaguos su daugeliu molekulinių struktūrų (ir pridės prie jų anglies atomą). Karbenai lengvai įsiterps į dvigubus arba trigubus ryšius, kaip ir anksčiau aprašyta anglies-anglies dimero jungtis. Padėtyje valdomas karbenas gali būti pritvirtintas beveik bet kurioje augančio molekulinio ruošinio vietoje, todėl gali būti sukurta praktiškai bet kokia norima forma.

Ketvirtasis pasiūlymas yra dėl vandenilio nusodinimo įrankio. Jei vandenilio paėmimo įrankis yra skirtas padaryti inertišką struktūrą reaktyvią sukuriant kabančiąją jungtį, vandenilio nusodinimo įrankis elgtųsi priešingai: reaktyviąją struktūrą paverstų inertiška nutraukdamas kabančiuosius ryšius. Toks įrankis leistų stabilizuoti reaktyvius paviršius ir neleistų paviršiaus atomams persirikiuoti netikėtais ir nepageidaujamais būdais. Pagrindinis reikalavimas tokiam įrankiui yra, kad jame būtų silpnai prijungtas vandenilio atomas. Nors daugelis molekulių atitinka šį aprašymą, vandenilio ir alavo ryšys yra ypač silpnas; taigi, alavo pagrindu sukurta vandenilio nusodinimo priemonė turėtų būti veiksminga.

Šie keturi molekuliniai įrankiai turėtų leisti mums sukurti daugybę standžių struktūrų, bet tik tas, kurios sudarytos iš vandenilio ir anglies. Tai daug mažiau ambicingas tikslas nei bandymas panaudoti visus 100 ar daugiau elementų periodinėje lentelėje. Tačiau mainais apsiribodami šia ribota struktūrų klase, mes daug lengviau analizuojame tas, kurias galima pagaminti, ir sintetines reakcijas, reikalingas joms sukurti. Bet kuriuo atveju šis siauresnis pasiūlymas gali būti lengviau ir nuodugnesnis nei visapusė nanotechnologija. Deimantas ir jo nedūžtantys variantai patenka į šią kategoriją, kaip ir anglies atomų fullerenai, susukti į rutulius, vamzdelius ir kitas formas. Šios medžiagos gali sudaryti visas dalis, reikalingas pagrindiniams mechaniniams įrenginiams, tokiems kaip statramsčiai, guoliai, krumpliaračiai ir robotų rankos.

Galiausiai norėtume pridėti kitų elementų, pavyzdžiui, sukurti deimantinius elektroninius prietaisus arba į vidinį guolio paviršių įpilti azoto, kad sumažintume įtampą (anglies-azoto jungtis yra ilgesnė nei anglies-anglies jungtis). . Tokios struktūros, daugiausia sudarytos iš anglies ir vandenilio kartu su azotu, deguonimi, fluoru, siliciu, fosforu, siera arba chloru, sudaro tai, ką mes vadiname deimantinių medžiagų klase.

Deimantų amžius

Natūralus deimantas yra brangus, negalime padaryti jo norimų formų, ir jis subyra. Nanotechnologijos leis mums nebrangiai pagaminti nedūžtantį deimantą (su struktūra, kuri gali būti panaši į deimantų pluoštą) tiksliai tokių formų, kokių norime. Tai leistų mums sukurti „Boeing 747“, kuris svertų vieną penkiasdešimtąją šiandieninių versijų, neprarandant jėgos. Kosminių kelionių nauda taip pat būtų dramatiška. Stiprumo ir svorio santykis bei komponentų kaina yra labai svarbūs kosminių laivų veikimui ir ekonomiškumui: nanotechnologijos galėtų pagerinti abu šiuos parametrus maždaug dviem dydžiais.

Nanotechnologijos taip pat gali radikaliai pakeisti energijos gamybos ekonomiką. Saulė galėtų suteikti daug daugiau energijos nei žmonės naudoja dabar – ir tai padaryti švariau ir pigiau nei iškastinis kuras ir branduoliniai reaktoriai – jei tik galėtume pagaminti nebrangių saulės elementų ir baterijų. Mes jau žinome, kaip sukurti efektyvius saulės elementus: nanotechnologijos galėtų sumažinti jų sąnaudas ir galiausiai padaryti saulės energiją ekonomišką. Šioje programoje mums nereikia kurti naujų ar techniškai geresnių įrenginių; vien nebrangiai gamindami tai, ką jau žinome, kaip brangiai pagaminti, saulės energiją perkeltume į pagrindinę srovę.

Kompiuterių lustų gamyba gali iš esmės pasikeisti. Atrodo, kad yra esminės ribos, kiek dar galime tobulinti litografiją – procesą, kuriuo dabar gaminami lustai. Litografijoje (pažodžiui, akmens raštu) ant silicio plokštelės brėžiame smulkias linijas iš fotografijos pasiskolintais metodais. Šviesai jautri plėvelė, vadinama rezistu, paskleidžiama ant silicio plokštelės. Resistas yra veikiamas sudėtingo šviesos ir tamsos modelio, kaip negatyvas fotoaparate, ir išvystomas. Kartojant šį procesą, galima sudaryti sudėtingą blokavimo modelių rinkinį, kuris apibrėžia sudėtingus kompiuterio lusto loginius elementus.

Tačiau atomų išdėstymas metant fotonus (ar kitas daleles) į paviršių iš tolo neatrodo geriausias būdas, ypač jei norime naudoti tris matmenis, o ne tik du; Įsivaizduokite, kad statote automobilį mėtydami įrankius iš daugiau nei mylios. Taigi, jei kompiuterinės įrangos tobulinimas bus tęsiamas dabartiniu tempu, maždaug po dešimtmečio turėsime ne tik litografiją, bet ir pereiti prie naujos gamybos technologijos. Kompiuterinių loginių elementų, sudarytų iš mažiau nei 1000 atomų, dizainas jau buvo pasiūlytas, tačiau kiekvienas atomas tokiame mažame įrenginyje turi būti tiksliai tinkamoje vietoje. Ir purškiant chemikalus aplinkui paprasčiausiai nepavyksta sutvarkyti atomų reikiamu tikslumu.

Laimei, deimantas yra puiki elektroninė medžiaga. Jis lenkia silicį keliais pagrindiniais aspektais. Viena vertus, elektronai deimante juda greičiau nei silicyje. Deimantas taip pat gali veikti geriau nei silicis aukštoje temperatūroje. Tai svarbu, nes lustams dirbant vis greičiau, jų veikimą riboja poreikis išsklaidyti grandinėje besikaupiančią šilumą.

Deimantas turi šį pranašumą dėl dviejų priežasčių. Pirma, deimantas turi didesnį šilumos laidumą nei silicis, todėl šiluma greičiau pasišalina iš deimantinio tranzistoriaus. Antra, deimantas turi didesnį pralaidumą nei silicio 5,5 elektronų voltų, o ne 1,1 elektrono volto silicyje. Juostos tarpas yra mažiausias energijos kiekis, reikalingas elektronui iš santykinai nejudrios būsenos pakelti į puslaidininkio laidumo juostą, kur elektronas laisvai juda veikiamas įtampos. Kylant temperatūrai, daugiau elektronų įgyja energijos, reikalingos peršokti į laidumo juostą. Kai tai daro per daug elektronų, įrenginys iš puslaidininkio virsta laidininku; tranzistorius trumpai išsijungia ir nustoja veikti. Didesnis Diamond pralaidumas reiškia, kad esant aukštesnei temperatūrai, jis trumpas.

Naudodami nanotechnologijas turėtume sugebėti sukurti masinės atminties įrenginius, kurie galėtų išsaugoti daugiau nei 100 milijardų milijardų baitų cukraus kubo dydžio tūryje, ir masiškai lygiagrečius tokio pat dydžio kompiuterius, kurie galėtų pateikti milijardą milijardų instrukcijų per sekundę. milijardus kartų daugiau nei šiandieniniai staliniai kompiuteriai.

Nano masto prietaisų prieinamumas taip pat gali radikaliai pakeisti chirurgiją. Šiandien yra esminis neatitikimas tarp to, ko reikia traumoms gydyti, ir mūsų įrankių galimybių. Ląstelių ir molekulių mechanizmai mūsų audiniuose yra maži ir tikslūs, tačiau šiandieniniai skalpeliai, kaip matyti iš ląstelės, yra neapdoroti dalgiai, kurie perplėšia audinius, palikdami negyvas ir suluošintas ląsteles. Vienintelė priežastis, dėl kurios veikia šiuolaikinė chirurgija, yra nepaprastas ląstelių gebėjimas persigrupuoti, palaidoti mirusiuosius ir užgyti ant žaizdos.

Chirurginiai įrankiai, kurių dydis ir tikslumas yra molekuliniai, turėtų leisti mums tiesiogiai išgydyti ligas sukeliančius pažeidimus molekuliniu ir ląstelių lygiu. Pavyzdžiui, trumpesnė nei 100 nanometrų molekulinė roboto ranka lengvai tilptų į kraujotakos sistemą (vieno raudonojo kraujo kūnelio skersmuo yra apie 8000 nanometrų) ir netgi galėtų įsispausti atskirų ląstelių viduje.

Viena taikymo sritis būtų vėžio terapija. Galėtume sukurti nedidelį įrenginį, galintį identifikuoti ir nužudyti vėžines ląsteles. Prietaisas, kuriame būtų nanomastelinis kompiuteris ir kelios surišimo vietos, pritaikytos konkrečioms molekulėms, laisvai cirkuliuotų visame kūne, periodiškai imdamas aplinkos mėginius, nustatydamas, ar jo surišimo vietos buvo užimtos. Kuo dažniau vieta buvo užimta, tuo didesnė molekulės, kuriai ta vieta buvo skirta, koncentracija. Nanoprietaisas su keliolika skirtingų tipų surišimo vietų galėtų tokiu būdu stebėti dešimčių skirtingų tipų molekulių, kurios paprastai atsiranda organizme, bet kurių koncentracijos viena kitos atžvilgiu keičiasi, kai yra vėžys. Kompiuteris galėtų nustatyti, ar koncentracijų profilis atitinka iš anksto užprogramuotą profilį, ir, susidūrus su vėžiniu profiliu, išskirtų nuodus, kurie selektyviai naikina vėžines ląsteles.

Kiekviename įrenginyje gali būti nanoskalės slėgio jutiklis, kuris leistų vėžio žudikui gauti nurodymus per ultragarso signalus megahercų diapazone. Klausydamas kelių makroskopinių akustinių signalų šaltinių, prietaisas gali nustatyti savo vietą kūne taip, kaip radijo imtuvas žemėje gali naudoti kelių palydovų transliacijas, kad nustatytų savo padėtį. Žinojimas apie savo vietą kūne padėtų prietaisui nuspręsti, ar jis buvo šalia vėžio. Nesant informacijos apie vietą, ji kartais gali klaidingai išleisti nuodus ląstelėje, kuri atrodė kaip vėžio ląstelė. Pavyzdžiui, jei tikslas būtų nužudyti gaubtinės žarnos vėžį, vėžio žudikas didžiajame kojos piršte neišskirs nuodų, nesvarbu, ką jam pasakytų vėžio jutikliai.

Kaip mes galime ten patekti?

Čia aprašytos nuostabios galimybės dažniausiai yra teorinės. Kaip jas galima paversti tikromis? Kaip galime sukurti bendrosios paskirties programuojamą gamybos sistemą, naudodami labai reaktyvius, padėties valdomus įrankius, kurie galėtų nebrangiai pagaminti daugumą deimantinių konstrukcijų?

Nereikėtų nuvertinti šio iššūkio masto. Pateikiami pasiūlymai dėl surinkėjo, galinčio pagaminti deimantines struktūras, apima šimtus milijonų ar milijardų atomų – ​​nė vienas atomas nėra netinkamas. Netgi paprasta roboto ranka, kurią gali sudaryti tik keli milijonai atomų, turėtų būti su kitais komponentais. Pavyzdžiui, robotų rankos veiktų vakuume, o tai diktuotų, kad aplink ranką reikia apvalkalo, kad būtų išlaikytas vakuumas. Kiti pagalbiniai įtaisai, kurių prireiks, yra akustiniai imtuvai, kompiuteriai, slėgio valdomi reketai ir surišimo vietos. Jei kiekviena operacija, pavyzdžiui, vandenilio gavyba arba karbeno nusodinimas, paprastai atlieka vieną ar kelis atomus, tada klaidų lygis turi būti mažesnis nei vienas iš milijardo.

Nors teoriškai toks tobulumas yra pasiekiamas, šiuolaikinės technologijos nėra tinkamos. Cheminės sintezės procesas, kurį chemikai laiko labai geru, 99 procentus reagentų paverčia norimu produktu. Tačiau tas 99 procentų derlingumas reiškia, kad klaidų lygis yra vienas iš 100, o tai yra dešimt milijonų kartų mažiau tobula, nei mes norime brandžiai nanotechnologijai. Baltymų sintezės iš aminorūgščių ribosomose klaidų lygis gali būti vienas iš 10 000. DNR, pasikliaudama plačiu klaidų aptikimu ir taisymu bei įmontuotu pertekliumi (molekulė turi dvi viena kitą papildančias grandines), replikuodamasi pati pasiekia maždaug vienos bazės iš milijardo klaidų lygį.

Jokia esama technologija negali priartėti prie tokio našumo lygio. Pavyzdžiui, vienas iš būdų, kuriuo galima nustatyti atskirų atomų padėtį, yra nuskaitymo zondo mikroskopas (SPM), kurio metu aštrus galas nuleidžiamas į mėginio paviršių, kad būtų generuojamas signalas, leidžiantis nustatyti zonduojamą paviršių. kaip aklas, bakstelėjęs lazdele, norėdamas pajusti kelią į priekį. Kai kurie SPM tiesiogine prasme stumia paviršių ir pastebi, kaip stipriai paviršius stumiasi atgal. Kiti jungia paviršių ir zondą prie įtampos šaltinio ir matuoja srovės srautą, kai zondas priartėja prie paviršiaus. Galima išmatuoti daugybę kitų zondo paviršiaus sąveikų, kurios naudojamos įvairių tipų SPM gaminti.

SPM gali ne tik atvaizduoti paviršių, bet, pavyzdžiui, pakeisti jį, nusodindamas atskirus atomus ir molekules norimu modeliu. Plačiai paskelbtu atveju mokslininkai ant nikelio paviršiaus išdėstė 35 ksenono atomus, kad sudarytų raides, identifikuojančias jų darbdavį: IBM. Tačiau ši SPM manipuliacija reikalavo aušinimo iki 4 laipsnių virš absoliutaus nulio – ne visai idealios sąlygos didelio masto gamybai. Visai neseniai IBM mokslininkai tiksliai išdėstė molekules kambario temperatūroje ant vario paviršiaus. Tačiau SPM klaidų lygis yra pakankamai didelis, todėl jie turi naudoti gana sudėtingus klaidų aptikimo ir taisymo metodus. Ir nors šios sistemos gali judėti aplink kelis atomus ar molekules, jos negali pagaminti didelio kiekio tikslios struktūros deimantų, tokių, kurie galėtų būti naudojami automobiliui ar lėktuvui statyti.

Galiausiai, šiandieniniai SPM yra per lėti. Gamtoje ribosomos užtrunka dešimtis milisekundžių, kad į augantį baltymą pridėtų vieną aminorūgštį. Bet jei surinkėjas turi pagaminti savo kopiją maždaug per dieną ir jei tam reikia kelių šimtų milijonų operacijų, tada kiekviena operacija turi įvykti per milisekundės dalį. Priešingai, SPM užtrunka kelias valandas, kad sutvarkytų kelis atomus ar molekules. Užuot bandę visas šias problemas išspręsti vienu milžinišku šuoliu, galime jas spręsti laipsniškai – kurdami tarpinių sistemų seriją. Pavyzdžiui, vienas iš būdų būtų panaikinti reikalavimą, kad surinkėjas būtų pagamintas iš deimantinių konstrukcijų. Deimantoidas yra patrauklus, kaip matėme, dėl savo stiprumo, standumo ir elektrinių savybių. Tačiau tarpinė sistema turi sugebėti sukurti pažangesnę sistemą ir galbūt produktus, kurie yra įspūdingi, palyginti su šiandieniniais produktais. Pats jis neturi būti deimantinis.

Tai rodo tai, kas gali būti vadinama statybiniais blokais pagrįsta nanotechnologija. Užuot statę deimantą, statysime kokią nors kitą medžiagą iš palyginti didelių molekulinių vienetų, susidedančių iš dešimčių, šimtų ar net tūkstančių atomų. Tokie dideli statybiniai blokai sumažina surinkimo žingsnių skaičių, todėl reikia atlikti mažiau įrenginio operacijų ir jie neturi būti tokie patikimi. Tirpūs statybiniai blokai, kurie prilimpa tik prie kitų statybinių blokų, o ne prie tirpiklio ar mažos teršalų koncentracijos, pašalina poreikį dirbti vakuume.

Renkantis tokius statybinius blokus, turime daugybę pasirinkimų: bet kurią iš daugelio molekulių, kurias chemikai susintetino arba galėtų pagrįstai susintetinti, turinčias norimas savybes. Kiekvienas molekulinis blokas turi turėti bent tris vietas, kuriose jis gali susieti su kitais statybiniais blokais. Vienetai su dviem surišimo vietomis rodo polimerus, esančius visur biologinėse sistemose, pvz., DNR, RNR ir baltymus. Statybiniai blokai, turintys tris sujungimo vietas, labai palengvina standžių trimačių konstrukcijų projektavimą.

Tokie blokai gali būti susieti vienas su kitu naudojant bet kurią iš įvairių gerai suprantamų cheminių reakcijų. Ypač patraukli galimybė yra Diels-Alder reakcija, kurios metu dieną (angliavandenilį su dviguba anglies-anglies jungtimi) galima priversti reaguoti su konkrečia molekule.

Atsakymas į abejojančius

Nepaisant nanotechnologijų plėtros patikimumo, yra skeptikų. Tačiau jų kritika yra menkai pagrįsta. Pavyzdžiui, chemikas Davidas Jonesas, gamtos apžvalgininkas, žurnale Scientific American citavo, kad molekulinio surinkėjo statyba buvo pasmerkta, nes atskiri atomai yra stebėtinai judrūs ir reaktyvūs. Jie akimirksniu susijungs su aplinkos oru, vandeniu, vienas su kitu, surinkėjus palaikančiu skysčiu ar pačiais surinkėjais.

Tačiau pasiūlymuose dėl reaktyviųjų molekulinių priemonių nurodoma, kad aplinka turi būti inertiška – vakuuminė arba inertinės dujos; nebūtų aplinkos oro, su kuriuo būtų galima reaguoti. Ir kadangi molekuliniai įrankiai yra valdomi padėtimi, jie nereaguos nei vienas su kitu, nei su pačiu surinkėju – dėl tos pačios priežasties, kodėl karštas lituoklis nereaguoja su juo besinaudojančio žmogaus oda.

Manęs dažnai klausia, kiek užtruks, kol galėsime pagaminti molekulinius kompiuterius, kol nebrangūs fotovoltiniai elementai atneš pigios, švarios saulės energijos, o ypač lengvi erdvėlaiviai smarkiai sumažins kosmoso tyrinėjimo išlaidas. Moksliškai teisingas atsakymas yra: aš nežinau. Tačiau pažvelgus į vieną technologiją, kurią nanotechnologijos gali patobulinti – kompiuterija – suteikia vieną perspektyvą. Nuo elektromechaninių relių iki vakuuminių vamzdžių iki tranzistorių ir integrinių grandynų – per pastaruosius 50 metų nuolat mažėja loginių elementų dydis ir kaina bei nuolat didėja jų našumas. Šių tendencijų ekstrapoliacija rodo, kad norint, kad kompiuterių aparatinės įrangos revoliucija nenutrūktų pagal tvarkaraštį, iki maždaug 2010 ar 2020 m. reikės plėtoti molekulinę gamybą.

Žinoma, praeities tendencijų ekstrapoliavimas yra filosofiškai diskutuotinas technologijų prognozavimo metodas. Nors joks pagrindinis gamtos dėsnis nedraudžia mums plėtoti nanotechnologijų pagal šį grafiką (ar net greičiau), taip pat nėra įstatymo, kuris sakytų, kad šis grafikas nepaslys. Tačiau daug blogiau, kad tokios tendencijos reiškia, kad yra tam tikras tvarkaraštis – nanotechnologijos neišvengiamai atsiras nepaisant to, ką darome ar ne. Niekas negali būti toliau nuo tiesos. Kiek laiko užtrunka sukurti šią technologiją, labai priklauso nuo to, ką darome. Jei to sieksime sistemingai, tai įvyks greičiau. Jeigu mes į tai nepaisysime arba tiesiog tikimės, kad kas nors už tai užklups, tai užtruks daug ilgiau. Laimei, kartu taikydami teorinius, skaičiavimo ir eksperimentinius metodus galime pasiekti tikslą greičiau ir patikimiau, nei naudodami bet kurį vieną metodą atskirai. Lygiai taip pat, kaip „Boeing“ gali suprojektuoti, konstruoti ir skraidyti lėktuvus kompiuteryje, prieš gamindamas juos realiame pasaulyje, tą patį galime padaryti ir molekulinėje gamyboje. Galime greitai pašalinti daugumą klaidingų startų ir akligatvių ir greitai sutelkti dėmesį į geriausius būdus.

Kaip ir pirmasis žmogaus nusileidimas Mėnulyje, Manheteno projektas ar šiuolaikinio kompiuterio sukūrimas, molekulinės gamybos atsiradimas pareikalaus daugelio žmonių koordinuotų pastangų daugelį metų. Kiek tai užtruks? Daug kas priklauso nuo to, kada pradėsime.

paslėpti