Молекулалық нанотехнология: Атомдық деңгейде құрылым салу технологиясы

Молекулалық нанотехнология – атомдық деңгейде құрылымдар құру технологиясы. Механосинтез, наномашиналар, өндіріс принциптері туралы біліңіз.

20 мин оқу

100%

Дереккөз: Molecular nanotechnology — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Технология

Молекулалық нанотехнология (МНТ) – механосинтез арқылы күрделі атомдық құрылымдарды жасау мүмкіндігіне негізделген технология. Бұл наноөлшемді материалдардан өзгеше. Ричард Фейнманның наномашиналарды пайдаланып күрделі өнімдерді (соның ішінде қосымша наномашиналарды) құрастыратын миниатюралық фабрикалар туралы болжамына сүйене отырып, нанотехнологияның озық түрі (немесе молекулалық өндіріс) молекулалық машиналар жүйелерімен басқарылатын, позициялық бақыланатын механосинтезді қолданады. МНТ биофизика, химия, басқа да нанотехнологиялар және тіршілік әлемінің молекулалық механизмдері арқылы көрсетілген физикалық принциптерді, сондай-ақ қазіргі заманғы макромасштабты фабрикаларда қолданылатын жүйелік инженерия принциптерін біріктіруді қамтиды.

Кіріспе

Дәстүрлі химия нақты емес процестерді қолданып, нақты емес нәтижелерге жетеді, ал биология нақты нәтижелер алу үшін нақты емес процестерді пайдаланады. Ал молекулалық нанотехнология нақты нәтижелер алу үшін түпкілікті, нақты процестерді қолданады. Молекулалық нанотехнологиядағы мақсат – молекулалық реакцияларды позициялық бақыланатын орындарда және бағдарларда теңестіру, қажетті химиялық реакцияларды алу, содан кейін осы реакциялардың өнімдерін қосымша құрастыру арқылы жүйелер құру болып табылады. МНТ-ны дамыту жол картасы – Бэттелл (бірнеше АҚШ Ұлттық зертханаларының басқарушысы) және Foresight институты басқаратын, кең ауқымды технологиялық жобаның мақсаты. Жол картасы бастапқыда 2006 жылдың соңына дейін аяқталуы жоспарланған, бірақ 2008 жылдың қаңтарында жарияланды. Нанофабрика ынтымақтастығы – 10 ұйым мен 4 елден 23 зерттеушіні қамтитын, позициялық бақыланатын алмаз механосинтезі мен алмаздық нанофабрикаларды дамытуға бағытталған, нақтырақ зерттеулер күш-жігері. 2005 жылдың тамызында Жауапты нанотехнология орталығы молекулалық нанотехнологияның қоғамға тигізетін әсерін зерттеу үшін әртүрлі салалардан 50-ден астам халықаралық сарапшыдан тұратын жұмыс тобын құрды.

Ақылды материалдар мен наносенсорлар

Нанометрлік масштабта нақты бір міндетті орындау үшін жобаланған және жасалған кез келген материал – ақылды материал болып саналады. Егер материалдар әртүрлі молекулаларға әртүрлі жауап беруге мүмкіндік берілсе, мысалы, жасанды дәрілер нақты вирустарды тани алады және оларды залалсыздандырады. Өзін-өзі жазатын құрылымдар адам терісі сияқты, бетіндегі ұсақ сызаттарды табиғи түрде жасай алады. Наносенсор – ақылды материалға ұқсас, үлкен машинаның ішіндегі шағын компонент, ол қоршаған ортаға реакция жасайды және маңызды, мақсатты түрде өзгереді. Мысалы, фотосенсор жарықты пассивті түрде өлшеуі мүмкін және жарық белгілі бір шектен асып немесе төмен түскенде, сіңірілген энергиясын электр энергиясы ретінде бөліп, үлкен машинаға сигнал жібереді. Мұндай сенсорлар дәстүрлі сенсорларға қарағанда арзанға түсіп, аз қуатты қолданады, бірақ сонымен бірге осы салалардағы барлық қолданыстарда тиімді жұмыс істейді, мысалы, қараңғы түскенде тұрақ жарығын қосу. Ақылды материалдар мен наносенсорлар МНТ-нің тиімді қолданылуының мысалдары болғанымен, бұл терминмен ең көп байланысты технологияның күрделілігіне қарағанда бәлеңкей көрінеді: көбейтілетін наноробот.

Нанороботтарды қайталау

МНТ наноөндірісі көбінесе үйлесімді наноөлшемді роботтардың бірлесіп жұмыс істеу идеясымен байланысты, бұл К. Эрик Дрекслердің 1986 жылғы МНТ талқылауларындағы алғашқы ұсынысының танымал болуы, бірақ 1992 жылы ескірген. Бұл алғашқы ұсыныста, жеткілікті мүмкіндіктерге ие нанороботтар арнайы молекулалық құрылыс блоктары бар жасанды ортада көбірек нанороботтарды құрастыратын еді. Сынаушылар өзін-өзі көбейтуге қабілетті нанороботтардың мүмкіндігіне де, оларды бақылау мүмкіндігіне де күмән келтірді: олар кез келген бақылауды жоятын және мутацияланған, зиянды түрлердің көбеюіне әкелетін мутациялар мүмкіндігін атады. Жақтаушылар бірінші күмәнді жою үшін 2002 жылы Lego блоктарынан жасалған алғашқы макроөлшемді автономды машиналық көбейтілгіштің тәжірибелік түрде құрылып, жұмыс істегенін көрсетті. Наноөлшемдегі шектеулі сенсорлық қабілетпен салыстырғанда макроөлшемде сенсорлық артықшылықтар болғанымен, позициялық басқарылатын наноөлшемді механосинтетикалық өндіріс жүйелерінің ұсыныстары сенімді нәтижелерді қамтамасыз ету үшін құрал ұштарының қозғалысын есепке алу және сенімді реакция тізбегін жобалауды қолданады, сондықтан шектеулі сенсорлық қабілет кемшілік емес; ұқсас ойлар кішкентай нанобөлшектерді позициялық құрастыруға да қатысты. Жақтаушылар екінші күмәнді бактериялардың (қажеттілік бойынша) эволюцияға дамуға бағытталғанын дәлелдеу арқылы жойды, ал нанороботтардың мутациясы қателерді түзетудің жалпы әдістерімен белсенді түрде алдын алуға болады. Молекулалық нанотехнология бойынша Foresight Guidelines-та осыған ұқсас идеялар айтылған, ал Фрейтас пен Мерклдің жақында жариялаған 137 өлшемді көбейтілгіш жобалау кеңістігінің картасы көбейтілгіштерді жақсы жобалау арқылы қауіпсіз басқаруға болатын көптеген ұсынылған әдістерді ұсынады. Дегенмен, мутацияны басу тұжырымы мынадай сұрақ тудырады: Наноөлшемде кездейсоқ мутация мен детерминистік таңдау процесінсіз дизайн эволюциясы қалай жүзеге асуы мүмкін? Сынаушылар МНТ жақтаушылары осы наноөлшемді аренада дәстүрлі сенсорлық негіздегі таңдау процестері жетіспейтін эволюция процесіне балама ұсынбағанын айтады. Наноөлшемде қол жетімді сенсорлық қабілеттің шектелуі табыстарды сәтсіздіктерден ажыратуды қиын немесе мүмкін емес етеді. Жақтаушылар дизайн эволюциясы модельдеу, жобалау, прототиптеу, сынау, талдау және қайта жобалаудың дәстүрлі инженерлік парадигмасын қолдана отырып, детерминистік және қатаң түрде, адам бақылауымен жүзеге асуы керек деп санайды. Қайта да айта кетейік, 1992 жылдан бері МНТ-ға арналған техникалық ұсыныстарда өзін-өзі көбейтуге қабілетті нанороботтар қамтылмаған, ал МНТ жақтаушыларының соңғы этикалық нұсқаулары шектеусіз өзін-өзі көбейтуге тыйым салады.

MNT nanofacturing is popularly linked with the idea of swarms of coordinated nanoscale robots working together, a popularization of an early proposal by K. Eric Drexler in his 1986 discussions of MNT, but superseded in 1992. In this early proposal, sufficiently capable nanorobots would construct more nanorobots in an artificial environment containing special molecular building blocks. Critics have doubted both the feasibility of self replicating nanorobots and the feasibility of control if self replicating nanorobots could be achieved: they cite the possibility of mutations removing any control and favoring reproduction of mutant pathogenic variations. Advocates address the first doubt by pointing out that the first macroscale autonomous machine replicator, made of Lego blocks, was built and operated experimentally in 2002. While there are sensory advantages present at the macroscale compared to the limited sensorium available at the nanoscale, proposals for positionally controlled nanoscale mechanosynthetic fabrication systems employ dead reckoning of tooltips combined with reliable reaction sequence design to ensure reliable results, hence a limited sensorium is no handicap; similar considerations apply to the positional assembly of small nanoparts. Advocates address the second doubt by arguing that bacteria are (of necessity) evolved to evolve, while nanorobot mutation could be actively prevented by common error correcting techniques. Similar ideas are advocated in the Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology, and a map of the 137 dimensional replicator design space recently published by Freitas and Merkle provides numerous proposed methods by which replicators could, in principle, be safely controlled by good design. However, the concept of suppressing mutation raises the question: How can design evolution occur at the nanoscale without a process of random mutation and deterministic selection? Critics argue that MNT advocates have not provided a substitute for such a process of evolution in this nanoscale arena where conventional sensory based selection processes are lacking. The limits of the sensorium available at the nanoscale could make it difficult or impossible to winnow successes from failures. Advocates argue that design evolution should occur deterministically and strictly under human control, using the conventional engineering paradigm of modeling, design, prototyping, testing, analysis, and redesign. In any event, since 1992 technical proposals for MNT do not include self replicating nanorobots, and recent ethical guidelines put forth by MNT advocates prohibit unconstrained self replication.

Медициналық нанороботтар

МНТ-ның ең маңызды қолданыстарының бірі – медициналық нанороботика немесе наномедицина, бұл сала Роберт Фрейтас көптеген кітаптары мен мақалаларында бастама көтерген. Медициналық нанороботтарды көптеп жобалау, құрастыру және пайдалану мүмкіндігі, ең болжамдысы, ауруларды жылдам жоюға және физикалық жарақаттан сенімді әрі салыстырмалы түрде ауырсыздай жазылуға мүмкіндік береді. Медициналық нанороботтар генетикалық кемшіліктерді ыңғайлы түрде түзетуге, сондай-ақ қалпына келтіруді жеделдетуге және өмір сүру ұзақтығын едәуір арттыруға көмектеседі. Көбінесе дау тудыратын жайт, медициналық нанороботтар адамның табиғи қабілеттерін күшейту үшін қолданылуы мүмкін. Бір зерттеуде ісіктер, артериосклероз, инсультқа алып келетін қан қыстырулар, тыртық тінінің жиналуы және жергілікті инфекция ошақтары сияқты жағдайларды медициналық нанороботтарды қолдану арқылы қалай емдеуге болатыны туралы мәліметтер келтірілген.

Коммуналдық тұман

Молекулалық нанотехнологияның тағы бір ұсынысы – "пайдалы тұман", онда желіге қосылған микроскоптық роботтар (ассемблерлерге қарағанда қарапайым) бұлты пішіні мен қасиеттерін бағдарламалық командаларға сәйкес макроскоптық объектілер мен құралдарды жасау үшін өзгертеді. Материалдық заттарды түрлі формада пайдаланудың қазіргі әдеттерін өзгертудің орнына, пайдалы тұман көптеген физикалық заттардың орнын басады.

Фазалық массивті оптика

МНТ-нің тағы бір ұсынылған қолданысы – фазалық массивтік оптика (PAO). Алайда, бұл мәселені қалыпты нанотехнология арқылы шешуге болады. PAO фазалық массивтің миллиметрлік технологиясының принципін оптикалық толқын ұзындықтарында қолданар еді. Бұл кез келген оптикалық эффектіні дерлік толықтай қайта жасай алуға мүмкіндік берер еді. Пайдаланушылар көңіл күйлеріне қарай голограммалар, күн шығысы мен батуы, тіпті ауадағы лазерлерді де сұрай алады. PAO жүйелері Б.С. Крандалдың «Нанотехнология: Жаһандық молдық туралы молекулалық болжамдар» еңбегіндегі Брайан Воуктың «Фазалық массивтік оптика» мақаласында сипатталған.

Әлеуетті әлеуметтік әсерлер

Молекулалық өндіріс – нанотехнологияның болашақтағы мүмкін саласы, ол атомдық дәлдікпен күрделі құрылымдарды құруға мүмкіндік береді. Молекулалық өндіріс нанотехнологияда маңызды жетістіктерді талап етеді, бірақ оған қол жеткізілгеннен кейін нанофабрикаларда төмен құнмен және бір килограмм немесе одан да көп салмақта жоғары сапалы өнімдерді көптеп өндіруге болады. Олар ықшам компьютерлермен және қозғалтқыштармен жабдықталғандықтан, олардың автономдылығы арта түсіп, кең мүмкіндіктерге ие болуы мүмкін. Нанотехнология зерттеушілерінің көпшілігі нанотехнологиядан туындайтын қауіп-қатердің басым бөлігі соғысқа, қарулану жарысына және құрылымдық жаһандық үкіметке әкелу мүмкіндігінен деп санайды. Нанотехнологиялық қару-жарақтардың қолжетімділігі тұрақсыз қарулану жарысына (мысалы, ядролық қарулану жарысына қарағанда) әкелуі мүмкін бірнеше себептер бар: 1) жарысқа көптеген қатысушылар тартылуы мүмкін, себебі оған кірудің шегі төмен; 4) молекулалық өндіріс халықаралық саудаға тәуелділікті азайтуы мүмкін; 5) агрессиялық соғыс агрессор үшін экономикалық қауіпті азайтуы мүмкін, өйткені өндіріс арзан, ал соғыс алаңында адам күші қажет болмауы мүмкін. Соғысқа байланысты қауіптерді азайту шаралары көбінесе халықаралық ынтымақтастық саласында ұсынылған. Халықаралық инфрақұрылымды кеңейту арқылы халықаралық деңгейге көбірек егемендік беруге болады. Бұл қару-жарақтарды бақылау жөніндегі күш-жігерді үйлестіруге көмектеседі. Нанотехнологияға арналған арнайы халықаралық институттар (мысалы, Халықаралық атом энергиясы агенттігіне (МАГАТЭ) ұқсас) немесе жалпы қару-жарақтарды бақылау институттары да құрылуы мүмкін. Технологиялық мүмкіндіктер туралы ақпарат ашықтығын арттыру қару-жарақтарды бақылаудың маңызды факторы болуы мүмкін. "Сұр иірім" – тағы бір катастрофалық сценарий, ол Эрик Дрекслер 1986 жылғы "Жаратылыс машиналары" кітабында ұсынған, Фрейтас "Биожұтқыш нанорепликаторлардың жаһандық экофагиясына шектеулер, қоғамдық саясат бойынша ұсыныстар" еңбегінде талдаған және бұқаралық ақпарат құралдары мен көркем әдебиетте талқыланған. Бұл сценарийде бүкіл биосфераны энергия көзі және құрылыс материалы ретінде пайдаланатын кішкентай, өзін-өзі көбейтетін роботтар бар. Нанотехнология сарапшылары, соның ішінде Дрекслер бұл сценарийге күмәнмен қарайды. Крис Феникстің сөзіне сүйенсек, "Сұр иірім деп аталатын нәрсе тек қана қасақана және күрделі инженерлік процестің нәтижесі болуы мүмкін, ол кездейсоқ туындамайды". Нанобиотехнологияның пайда болуымен "жасыл иірім" деп аталатын басқа сценарий ұсынылды. Бұл жерде қауіпті зат – наноробот емес, нанотехнология арқылы жасалған, өзін-өзі көбейтетін биологиялық организмдер.

Molecular manufacturing is a potential future subfield of nanotechnology that would make it possible to build complex structures at atomic precision. Molecular manufacturing requires significant advances in nanotechnology, but once achieved could produce highly advanced products at low costs and in large quantities in nanofactories weighing a kilogram or more. Being equipped with compact computers and motors these could be increasingly autonomous and have a large range of capabilities. Several nanotechnology researchers state that the bulk of risk from nanotechnology comes from the potential to lead to war, arms races and destructive global government. Several reasons have been suggested why the availability of nanotech weaponry may with significant likelihood lead to unstable arms races (compared to e. g. nuclear arms races): (1) A large number of players may be tempted to enter the race since the threshold for doing so is low; (4) molecular manufacturing may reduce dependency on international trade, (5) wars of aggression may pose a smaller economic threat to the aggressor since manufacturing is cheap and humans may not be needed on the battlefield. measures to mitigate war related risks have mainly been proposed in the area of international cooperation. International infrastructure may be expanded giving more sovereignty to the international level. This could help coordinate efforts for arms control. International institutions dedicated specifically to nanotechnology (perhaps analogously to the International Atomic Energy Agency IAEA) or general arms control may also be designed. Improved transparency regarding technological capabilities may be another important facilitator for arms control. A grey goo is another catastrophic scenario, which was proposed by Eric Drexler in his 1986 book Engines of Creation, has been analyzed by Freitas in "Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, with Public Policy Recommendations" and has been a theme in mainstream media and fiction. This scenario involves tiny self replicating robots that consume the entire biosphere using it as a source of energy and building blocks. Nanotech experts including Drexler now discredit the scenario. According to Chris Phoenix a "So called grey goo could only be the product of a deliberate and difficult engineering process, not an accident". With the advent of nano biotech, a different scenario called green goo has been forwarded. Here, the malignant substance is not nanobots but rather self replicating biological organisms engineered through nanotechnology.

Артықшылықтары

Нанотехнология (немесе молекулалық нанотехнология, мұнда талқыланатын мақсаттарға қатысты) физикалық заңдармен белгіленген негізгі шектерге дейін өндірістің тарихи тенденцияларын жалғастыруға мүмкіндік береді. Ол бізге өте қуатты молекулалық компьютерлер жасауға мүмкіндік береді. Бұл болат немесе алюминий қорытпасынан 50 есе жеңіл, бірақ соған қарамастан, бірдей беріктікке ие материалдар жасауға мүмкіндік береді. Біз бүгінгі стандарттармен салыстырғанда өте жеңіл, берік және арзан ұшақтар, зымырандар, көліктер, тіпті орындықтар жасауға боламыз. Молекулалық хирургиялық құралдар, молекулалық компьютерлермен басқарылып, қан тамырларына енгізіледі, қатерлі жасушаларды немесе шабуылдайтын бактерияларды таба алады және жоя алады, артерияларды тазартады немесе қан айналымы нашарлағанда оттегімен қамтамасыз етеді. Нанотехнология бүкіл өндіріс базасын жаңа, түбегейлі дәл, бағасы төмен және өнімдерді жасаудың икемді жолымен алмастырады. Мақсат – бүгінгі компьютерлік чиптерді ғана емес, сонымен қатар автомобильдер, теледидарлар, телефондар, кітаптар, хирургиялық құралдар, зымырандар, кітап сөрелері, ұшақтар, тракторлар және т.б. үшін құрастыру желілерін ауыстыру. Объекті – өндірістегі кең ауқымды өзгерістер, бұл өзгерістер дерлік ешбір өнімге әсер етпейді. XXI ғасырдағы экономикалық прогресс және әскери дайындық негізінен нанотехнологиядағы бәсекеге қабілетті ұстанымды сақтауға байланысты болады. Нанотехнология мен молекулалық нанотехнологияның қазіргі даму сатысына қарамастан, МНТ-ның экономика мен құқыққа тигізетін күтілетін әсеріне байланысты алаңдаушылықтар бар. Нақты әсерлері қандай болмасын, МНТ-ға қол жеткізілсе, өндірілген тауарлардың тапшылығын азайтуға және көптеген тауарларды (мысалы, азық-түлік және денсаулық сақтау құралдары) өндіруге мүмкіндік береді. МНТ басқа салалардағы жетістіктермен әлі емделмеген кез келген медициналық жағдайды емдеуге қабілетті наномедициналық мүмкіндіктерді қамтамасыз етуі керек. Жақсы денсаулық кең таралған, ал денсаулықтың нашарлауы бүгінде жұқпалы аурулар мен цинга сияқты сирек кездесетін болады. Тіпті крионика да мүмкін болады, себебі криоконсервацияланған тіндер толыққанды қалпына келтіріледі.

Nanotechnology (or molecular nanotechnology to refer more specifically to the goals discussed here) will let us continue the historical trends in manufacturing right up to the fundamental limits imposed by physical law. It will let us make remarkably powerful molecular computers. It will let us make materials over fifty times lighter than steel or aluminium alloy but with the same strength. We'll be able to make jets, rockets, cars or even chairs that, by today's standards, would be remarkably light, strong, and inexpensive. Molecular surgical tools, guided by molecular computers and injected into the blood stream could find and destroy cancer cells or invading bacteria, unclog arteries, or provide oxygen when the circulation is impaired. Nanotechnology will replace our entire manufacturing base with a new, radically more precise, radically less expensive, and radically more flexible way of making products. The aim is not simply to replace today's computer chip making plants, but also to replace the assembly lines for cars, televisions, telephones, books, surgical tools, missiles, bookcases, airplanes, tractors, and all the rest. The objective is a pervasive change in manufacturing, a change that will leave virtually no product untouched. Economic progress and military readiness in the 21st Century will depend fundamentally on maintaining a competitive position in nanotechnology. Despite the current early developmental status of nanotechnology and molecular nanotechnology, much concern surrounds MNT's anticipated impact on economics and on law. Whatever the exact effects, MNT, if achieved, would tend to reduce the scarcity of manufactured goods and make many more goods (such as food and health aids) manufacturable. MNT should make possible nanomedical capabilities able to cure any medical condition not already cured by advances in other areas. Good health would be common, and poor health of any form would be as rare as smallpox and scurvy are today. Even cryonics would be feasible, as cryopreserved tissue could be fully repaired.

Қауіптері

Молекулалық нанотехнология – кейбір сарапшылардың пікірінше, технологиялық ерекшелікке алып келуі мүмкін технологиялардың бірі, онда технологиялық өсімнің қарқыны болжауға келмейтін салдарларға жеткендей болады. Кейбір салдары пайдалы, ал кейбіреулері зиянды болуы мүмкін, мысалы, молекулалық нанотехнологияны достық емес жасанды жалпы интеллект пайдалануы. Кейбіреулер молекулалық нанотехнологияның қатты тәуекелдерге толы екенін санайды. Ол арзан және құрылысқа қауіпті конвенциялық қару жасауға мүмкіндік беруі мүмкін. Сонымен қатар, молекулалық нанотехнология вирустар мен қатерлі жасушалар сияқты адам организміне шабуыл жасағанда өздігінен көбейетін жаппай қырып-жоятын қару жасауға да мүмкіндік береді. Сала мамандары әдетте, молекулалық нанотехнология дамыған жағдайда, оның өздігінен көбеюіне тек қатаң бақылауда немесе "табиғи түрде қауіпсіз" жағдайларда ғана рұқсат етілуі керек деген пікірде. Наномеханикалық роботтар жасалған жағдайда, және егер олар табиғи материалдарды пайдаланып өздігінен көбейтуге бағдарланған болса (бұл қиын міндет), олар шикізатқа деген ашкөздігімен бүкіл планетаны жұтып қоюы немесе жай ғана табиғи өмірді ығыстырып, энергия үшін бәсекелесуі мүмкін (көк жасыл балдырлар пайда болып, бұрынғы өмір формаларын жеңген кезде болғандай). Кейбір сарапшылар осы жағдайды "сұр иірім" немесе "экофагия" сценарийі деп атады. К. Эрик Дрекслер кездейсоқ "сұр иірім" сценарийінің болу ықтималдығы өте төмен екенін айтады және оны "Engines of Creation" кітабының кейінгі басылымдарында жазады. Осы қауіптерді ескере отырып, Дрекслер құрған Foresight Institute нанотехнологияны этикалық тұрғыдан дамыту үшін нұсқаулар жинағын әзірледі. Оларға, кем дегенде, Жер бетінде және мүмкін басқа жерлерде еркін азық іздейтін, өздігінен көбейетін псевдоорганизмдерге тыйым салу кіреді.

Техникалық мәселелер мен сын-пікірлер

Наножүйелерде талданған негізгі технологиялардың мүмкіндігі АҚШ Ұлттық ғылым академиясының ресми ғылыми сараптамасына алынды және интернетте, сондай-ақ танымал баспасөз беттерінде де кеңінен талқыланды.

АҚШ Ұлттық ғылым академиясының зерттеулері мен ұсыныстары

2006 жылы АҚШ Ұлттық ғылым академиясы молекулалық өндіріс туралы зерттеу есебін, «Өлшем мәселесі: Ұлттық нанотехнология бастамасының үшжылдық шолуы» атты кең ауқымды есептің бөлігі ретінде жариялады. Зерттеу комитеті «Наножүйелер» еңбегінің техникалық мазмұнын қарастырып, қорытындысында қазіргі теориялық талдаудың бірнеше әлеуетті жүйелік өнімділік сұрақтары бойынша нақты емес екенін, ал жоғары өнімді жүйелерді іске асырудың ең тиімді жолдарын сенімді түрде болжау мүмкін емес екенін мәлімдеді. Осы саладағы білімді дамыту үшін тәжірибелік зерттеулер жүргізу ұсынылады:

«Қазіргі таңдағы теориялық есептеулерге қарамастан, мұндай төменнен жоғарыға қарай өндірілетін жүйелердің химиялық реакция циклдарының, қателік деңгейінің, жұмыс жылдамдығының және термодинамикалық тиімділігінің болашақта қандай диапазонда болатынын сенімді түрде болжау мүмкін емес. Демек, өндірілген өнімдердің ақыр соңында қол жеткізілетін толықтығы мен күрделілігі теориялық тұрғыдан есептелгенімен, сенімді түрде болжауға болмайды. Сонымен қатар, биологиялық жүйелердің термодинамикалық тиімділігі мен басқа да мүмкіндіктерін айтарлықтай арттыратын зерттеу жолдарын қазіргі уақытта сенімді түрде болжау мүмкін емес. Осы мақсатқа жету үшін зерттеушілердің абстрактілі модельдермен байланысты тәжірибелік нәтижелерді көрсетуге және ұзақ мерзімді көзқарасқа бағыт беруге қабілетті зерттеулерді қаржыландыру ең тиімді болады».

Ассемблерлер мен нанозауыттар

Дрекслердің "Жаратылыс қозғалтқыштары" кітабындағы бір бөлім "Жалпыға ортақ құрастырушылар" деп аталады, ал одан кейінгі мәтінде әртүрлі типтегі құрастырушылар туралы сөз болады, олар бірлесіп, "табиғат заңдарының өмір сүруге рұқсат беретін кез келген нәрсені құрастыруы мүмкін" деген гипотеза айтылады. Дрекслердің әріптесі Ральф Меркл, кең таралған аңызға қарсы, Дрекслердің құрастырушы жүйелер кез келген молекулалық құрылымды құра алады деп ешқашан мәлімдемегенін атап өтті. Дрекслердің кітабындағы түсіндірмелерде "шамамен" деген сөздің мағынасы былай түсіндіріледі: "Мысалы, мүжіл құрылымды, тас арка сияқты, барлық бөліктері орнында болмаса, өзі-өзінен бұзылатындай етіп жобалауға болады. Егер жобада тіреу құрылымын орналастыру және алып тастау үшін орын болмаса, онда құрылысты салу мүмкін болмайды. Дегенмен, мұндай мәселелерге практикалық қызығушылық тудыратын көптеген құрылымдар ұшырамайды". 1992 жылы Дрекслер "Наножүйелер: Молекулалық машиналар, өндіріс және есептеу" кітабын жариялады, онда үстел үстіндегі фабриканы пайдалана отырып, берік ковалентті құрылымдарды синтездеудің егжей-тегжейлі ұсынысы келтірілген. Алмасты құрылымдар және басқа да берік ковалентті құрылымдар іске асырылса, қазіргі MEMS технологиясынан әлдеқайда асып түсетін көптеген қолданыс салалары пайда болар еді. 1992 жылы құрастырушысыз үстел үстіндегі фабриканы салудың жолы ұсынылды. Басқа зерттеушілер баламалы жолдарды ұсына бастады, ол жалпыға ортақ құрастырушылар тұжырымын сынап, Дрекслер мен әріптестерінің қарсылығына және ақырында хат алмасуға әкелді. Смолли химияның өте күрделі екенін, реакцияларды бақылаудың қиын екенін және жалпыға ортақ құрастырушының ғылыми фантастика екенін айтты. Алайда Дрекслер мен әріптестері Дрекслердің мүлдем кез келген нәрсені жасай алатын жалпыға ортақ құрастырушыларды ұсынбағанын, керісінше, өте көптеген нәрселерді жасай алатын шектеулі құрастырушыларды ұсынғанын атап өтті. Олар Смоллидің аргументтерінің "Наножүйелерде" ұсынылған нақты ұсыныстарға қатыстылығын күмәндандырды. Сонымен қатар, Смолли қазіргі химияның көп бөлігінің еріткіште (әдетте суда) жүретін реакцияларды қамтитынын, себебі еріткіштің кішкентай молекулалары көптеген факторларға, мысалы, өтпелі күйлер үшін байланысу энергиясын төмендетуге әсер ететінін мәлімдеді. Смолли Дрекслердің жоғары вакуумды пайдалану туралы ұсынысы мүмкін емес деп санады, өйткені барлық химиялық реакциялар еріткіште жүреді. Дегенмен, Дрекслер "Наножүйелерде" математикалық тұрғыдан жақсы жобаланған катализаторлар еріткіштің әсерін қамтамасыз ете алатынын және еріткіш-ферменттік реакциядан гөрі тиімдірек бола алатынын көрсетті. Қызықтысы, Смоллидің ферменттерге су қажет деген пікіріне қарсы, "Ферменттер сусыз органикалық ортада да белсенді жұмыс істейді, бірақ бұл емес ортада олар тұрақтылығын арттыру, субстрат және энантиомерлік ерекшеліктерін түбегейлі өзгерту, молекулалық жады және ерекше реакцияларды катализдей алу сияқты ерекше қасиеттерге ие болады".

A section heading in Drexler's Engines of Creation reads "Universal Assemblers", and the following text speaks of multiple types of assemblers which, collectively, could hypothetically "build almost anything that the laws of nature allow to exist." Drexler's colleague Ralph Merkle has noted that, contrary to widespread legend, Drexler never claimed that assembler systems could build absolutely any molecular structure. The endnotes in Drexler's book explain the qualification "almost": "For example, a delicate structure might be designed that, like a stone arch, would self destruct unless all its pieces were already in place. If there were no room in the design for the placement and removal of a scaffolding, then the structure might be impossible to build. Few structures of practical interest seem likely to exhibit such a problem, however." In 1992, Drexler published Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, a detailed proposal for synthesizing stiff covalent structures using a table top factory. Diamondoid structures and other stiff covalent structures, if achieved, would have a wide range of possible applications, going far beyond current MEMS technology. An outline of a path was put forward in 1992 for building a table top factory in the absence of an assembler. Other researchers have begun advancing tentative, alternative proposed paths attacked the notion of universal assemblers, leading to a rebuttal from Drexler and colleagues, and eventually to an exchange of letters. Smalley argued that chemistry is extremely complicated, reactions are hard to control, and that a universal assembler is science fiction. Drexler and colleagues, however, noted that Drexler never proposed universal assemblers able to make absolutely anything, but instead proposed more limited assemblers able to make a very wide variety of things. They challenged the relevance of Smalley's arguments to the more specific proposals advanced in Nanosystems. Also, Smalley argued that nearly all of modern chemistry involves reactions that take place in a solvent (usually water), because the small molecules of a solvent contribute many things, such as lowering binding energies for transition states. Since nearly all known chemistry requires a solvent, Smalley felt that Drexler's proposal to use a high vacuum environment was not feasible. However, Drexler addresses this in Nanosystems by showing mathematically that well designed catalysts can provide the effects of a solvent and can fundamentally be made even more efficient than a solvent/enzyme reaction could ever be. It is noteworthy that, contrary to Smalley's opinion that enzymes require water, "Not only do enzymes work vigorously in anhydrous organic media, but in this unnatural milieu they acquire remarkable properties such as greatly enhanced stability, radically altered substrate and enantiomeric specificities, molecular memory, and the ability to catalyse unusual reactions."

"Нанотехнология" сөзін қайта анықтау

Болашақта молекулалық деңгейдегі биологиялық эволюция процесін имитациялайтын наноқұрылымдар бойынша МНТ-ның эволюциялық дизайнын жасау үшін кейбір амалдар табылуы керек. Биологиялық эволюция организмдердің жиынтық орташа мәндеріндегі кездейсоқ өзгерістермен, жетіспейтін варианттарды іріктеумен және табысты варианттарды көбейтумен жүзеге асады, ал макродеңгейдегі инженерлік жобалау да Джон Галлдің сатирикалық түрде айтқандай, қарапайымнан күрделілікке қарай дизайн эволюциясы процесі арқылы жүреді: «Жұмыс істейтін күрделі жүйе әрқашан жұмыс істейтін қарапайым жүйеден дамыған болып табылады. Бастапқыда жобаланған күрделі жүйе ешқашан жұмыс істемейді және оны жұмыс істеуге түзету мүмкін емес. Сізге жаңадан бастау керек, жұмыс істейтін жүйеден бастап». МНТ-дағы серпіліс, мысалы, STM арқылы құрастырылатын қарапайым атомдық жиынтықтардан дизайн эволюциясы процесі арқылы күрделі МНТ жүйелеріне қадам жасау қажет. Бұл процестегі қиындық – макродеңгейге қарағанда нанодеңгейде көру мен манипуляциялаудың қиындығы, бұл табысты тәжірибелерді детерминистік түрде іріктеуді қиындатады; керісінше, биологиялық эволюция Ричард Докинстің «көзі жоқ сағатшы» деп атаған кездейсоқ молекулалық өзгерістер мен детерминистік өсіп-көбею/жойылу арқылы жүреді. Қазіргі уақытта, 2007 жылы нанотехнология практикасы стохастикалық тәсілдерді де (мысалы, супрамолекулалық химия су өткізбейтін шалбарлар жасайды) және детерминистік тәсілдерді де қамтиды, онда жеке молекулалар (стохастикалық химия арқылы жасалған) субстрат беттерінде (стохастикалық жинақтау әдістерімен жасалған) детерминистік әдістермен басқарылады, оларға STM немесе AFM зондтарымен итеру арқылы қарапайым байланыс немесе үзілу реакцияларын тудыру кіреді. Кешенді, детерминистік молекулалық нанотехнологияның арманы әлі де қол жеткізе алмай отыр. 1990 жылдардың ортасынан бері мыңдаған беттік ғалымдар мен жұқа пленка технологтары нанотехнология трендіне қосылып, өз салаларын нанотехнология деп қайта анықтады. Бұл салада көптеген жаңылысуларға әкеп соқты және рецензиядан өткен әдебиеттерде мыңдаған «нано» мақалалар пайда болды. Бұл есептердің көпшілігі негізгі салаларда жүргізілген қарапайым зерттеулердің жалғасы болып табылады.

For the future, some means have to be found for MNT design evolution at the nanoscale which mimics the process of biological evolution at the molecular scale. Biological evolution proceeds by random variation in ensemble averages of organisms combined with culling of the less successful variants and reproduction of the more successful variants, and macroscale engineering design also proceeds by a process of design evolution from simplicity to complexity as set forth somewhat satirically by John Gall: "A complex system that works is invariably found to have evolved from a simple system that worked. . A complex system designed from scratch never works and can not be patched up to make it work. You have to start over, beginning with a system that works." A breakthrough in MNT is needed which proceeds from the simple atomic ensembles which can be built with, e. g., an STM to complex MNT systems via a process of design evolution. A handicap in this process is the difficulty of seeing and manipulation at the nanoscale compared to the macroscale which makes deterministic selection of successful trials difficult; in contrast biological evolution proceeds via action of what Richard Dawkins has called the "blind watchmaker"

comprising random molecular variation and deterministic reproduction/extinction. At present in 2007 the practice of nanotechnology embraces both stochastic approaches (in which, for example, supramolecular chemistry creates waterproof pants) and deterministic approaches wherein single molecules (created by stochastic chemistry) are manipulated on substrate surfaces (created by stochastic deposition methods) by deterministic methods comprising nudging them with STM or AFM probes and causing simple binding or cleavage reactions to occur. The dream of a complex, deterministic molecular nanotechnology remains elusive. Since the mid 1990s, thousands of surface scientists and thin film technocrats have latched on to the nanotechnology bandwagon and redefined their disciplines as nanotechnology. This has caused much confusion in the field and has spawned thousands of "nano" papers on the peer reviewed literature. Most of these reports are extensions of the more ordinary research done in the parent fields.

Наножүйелердегі ұсыныстардың жүзеге асырылуы

Дрекслер ұсыныстарының жүзеге асырылуы, ең алдымен, Nanosystems сияқты жобалар әмбебап құрастырушы болмаған жағдайда жасалуы мүмкін бе және олар сипатталғандай жұмыс істейтін бе, соған байланысты. Молекулалық нанотехнологияны қолдаушылар 1992 жылдан бері Nanosystems-те елеулі қателер табылмағанын жиі айтады. Тіпті кейбір сыншылар: «Дрекслер өзі ұсынған наножүйелердің «жоғары деңгейдегі» аспектілерінің негізінде жатқан бірқатар физикалық принциптерді мұқият қарастырды және, шын мәнінде, кейбір мәселелерді егжей-тегжейлі зерделеді» деп мойындайды. Алайда, басқа сыншылар Nanosystems молекулалық нанотехнологияның төменгі деңгейдегі «машина тілі» туралы маңызды химиялық деректерді жібергенін мәлімдейді. Олар сондай-ақ, Nanosystems-тегі көптеген төменгі деңгейдегі химиялық процестерге қосымша зерттеулер қажет екенін, ал Дрекслердің жоғары деңгейдегі жобалары болжамдық негізде екенін айтады. Freitas және Merkle жүргізген соңғы зерттеулер төменгі деңгейдегі химиядағы олқылықтарды толтыру арқылы осы негізді нығайтуға бағытталған. Дрекслер бұл мәселелерді шешу үшін дәстүрлі нанотехнология жетіліске жеткенше күту қажет деп санайды: «Молекулалық өндіріс молекулалық машиналар жүйелеріндегі қадамдық жетістіктердің нәтижесінде туындайды, дәл сияқты алғашқы Айға қону сұйық отынмен жұмыс істейтін ракеталар жүйелеріндегі қадамдық жетістіктердің нәтижесінде болды. Біз қазір 1930 жылдардағы Ұлыбританиялық Ғарыштық қоғамының орнындамыз, олар көп сатылы сұйық отынмен жұмыс істейтін ракеталардың Айға қалай жететінін сипаттады және негізгі принциптің мысалы ретінде ертедегі ракеталарды көрсетті». Бірақ Freitas және Merkle алмазды механосинтезді (АМС) жүзеге асыруға бағытталған күш-жігерді қазірдің өзінде қолданыстағы технологияны пайдалана отырып бастауға болады және егер олардың «тікелей АМС әдісін» ұстанса, одан да күрделі жолмен емес, он жылдан кем уақыт ішінде табысқа жете алады. Орындалу мүмкін еместігіне қарсы аргументтерді қорытындыласақ: Біріншіден, сыншылар молекулалық нанотехнологияға қол жеткізудің басты кедергісі – молекулалық/атомдық деңгейде машиналар жасаудың тиімді жолының болмауы, әсіресе өзін-өзі көбейтуге қабілетті құрастырушы немесе алмаздық нанофабрикаға қарай анықталған жолдың болмауы екенін айтады. Жақтаушылар алмаздық нанофабрикаға әкелетін алдын ала зерттеу жолы әзірленуде деп жауап береді. Соңғы есепте «Ұлттық нанотехнологиялық бастама» бойынша үшжылдық шолудағы «Өнімді наножүйелерге арналған технологиялық жол картасы» қосымша конструктивті түсініктер ұсынуға бағытталған. Физикалық заңдарға сәйкес келетін барлық құрылымдарды жасау мүмкін бе деген сұрақ қызығушылық тудыруы мүмкін. Жақтаушылар молекулалық өндірістің көп бөлігін жүзеге асыру үшін «табиғи заңдарға сәйкес келетін кез келген құрылымды» құрастырудың қажеті жоқ екенін мәлімдейді. Керісінше, мұндай құрылымдардың жеткілікті (мүмкін, шағын) жиынтығын ғана құрастыру қажет, өйткені бұл шын мәнінде бүкіл әлемде қолданылатын кез келген практикалық өндіріс процесіне қатысты, тіпті биологияда да солай. Қай жағдайда болмасын, Ричард Фейнман айтқандай, «Ғылыми тұрғыдан қарағанда, нәрсенің ықтимал немесе ықтимал емес екенін айту ғана дұрыс, ал мүмкін немесе мүмкін емес екенін дәлелдеу емес».

The feasibility of Drexler's proposals largely depends, therefore, on whether designs like those in Nanosystems could be built in the absence of a universal assembler to build them and would work as described. Supporters of molecular nanotechnology frequently claim that no significant errors have been discovered in Nanosystems since 1992. Even some critics concede that "Drexler has carefully considered a number of physical principles underlying the 'high level' aspects of the nanosystems he proposes and, indeed, has thought in some detail" about some issues. Other critics claim, however, that Nanosystems omits important chemical details about the low level 'machine language' of molecular nanotechnology. They also claim that much of the other low level chemistry in Nanosystems requires extensive further work, and that Drexler's higher level designs therefore rest on speculative foundations. Recent such further work by Freitas and Merkle is aimed at strengthening these foundations by filling the existing gaps in the low level chemistry. Drexler argues that we may need to wait until our conventional nanotechnology improves before solving these issues: "Molecular manufacturing will result from a series of advances in molecular machine systems, much as the first Moon landing resulted from a series of advances in liquid fuel rocket systems. We are now in a position like that of the British Interplanetary Society of the 1930s which described how multistage liquid fueled rockets could reach the Moon and pointed to early rockets as illustrations of the basic principle." However, Freitas and Merkle argue that a focused effort to achieve diamond mechanosynthesis (DMS) can begin now, using existing technology, and might achieve success in less than a decade if their "direct to DMS approach is pursued rather than a more circuitous development approach that seeks to implement less efficacious nondiamondoid molecular manufacturing technologies before progressing to diamondoid". To summarize the arguments against feasibility: First, critics argue that a primary barrier to achieving molecular nanotechnology is the lack of an efficient way to create machines on a molecular/atomic scale, especially in the absence of a well defined path toward a self replicating assembler or diamondoid nanofactory. Advocates respond that a preliminary research path leading to a diamondoid nanofactory is being developed. In the latest report A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative The "Technology Roadmap for Productive Nanosystems" aims to offer additional constructive insights. It is perhaps interesting to ask whether or not most structures consistent with physical law can in fact be manufactured. Advocates assert that to achieve most of the vision of molecular manufacturing it is not necessary to be able to build "any structure that is compatible with natural law." Rather, it is necessary to be able to build only a sufficient (possibly modest) subset of such structures—as is true, in fact, of any practical manufacturing process used in the world today, and is true even in biology. In any event, as Richard Feynman once said, "It is scientific only to say what's more likely or less likely, and not to be proving all the time what's possible or impossible."

Алмаз механизмі бойынша жүргізіліп жатқан жұмыстар

Алмазды механикалық жолмен сутек атомдарын алып тастау/қосу және көміртек атомдарын орналастыру арқылы синтездеуге қатысты теориялық зерттеулердің саны артып келеді (бұл процесс механосинтез деп аталады). Бұл жұмыс наноғылымдар қауымдастығына біртіндеп сіңіп, сынға түсіп жатыр. Мысалы, Peng және авторлар (2006) (Freitas, Merkle және олардың әріптестерінің жалғасқан зерттеулерінде) механосинтездің ең көп зерттелген құрал-сайман мотиві (DCB6Ge) C2 көміртек димерін C(110) алмаз бетіне 300 K (бөлме температурасы) және 80 K (сұйық азот температурасы) температурасында сәтті орналастыратынын, ал кремний нұсқасы (DCB6Si) 80 K-те жұмыс істейтінін, бірақ 300 K-те жұмыс істемейтінін хабарлайды. Бұл соңғы зерттеуге 100 000-нан астам процессорлық сағат жұмсалған. 2002 жылы Foresight конференциясында Merkle және Freitas сипаттаған DCB6 құрал ұшы мотиві алмазды механикалық синтездеуге ұсынылған алғашқы толық құрал ұшы болды және қазірге дейін алмаздың 200 атомдық толық бетінде мақсатына сәйкес симуляцияланған жалғыз құрал ұшы мотиві болып табылады. Бұл жұмыста модельделген құралдар тек қатаң бақыланатын жағдайларда (мысалы, вакуумде) қолдануға арналған. Peng және авторлар (2006) димерді дұрыс байланыстырудан аулақ болу үшін құрал ұшының трансляциялық және бұрылу қателіктерінің қабылданатын шектерін көрсетеді, құрал ұштарын өте дәл орналастыру қажет. Peng және авторлар (2006) құрал ұшынан жоғарырақ орналасқан C атомдарының 4 тіреу жазықтығынан 5 жазықтыққа дейін тұтқаның қалыңдығын арттыру құрылымның резонанстық жиілігін 2.0 ТГц-тан 1.8 ТГц-қа дейін төмендететінін хабарлайды. Көбірек маңыздысы, 384 атомдық тұтқаға орнатылған DCB6Ge құрал ұшының және ұқсас шектеулермен, бірақ әлдеқайда үлкен 636 атомдық "қос тіреуіш" тұтқаға орнатылған сол құрал ұшының тербеліс іздері тірексіз бағыттарда дерлік бірдей. Үлкен тұтқа құрылымдарын модельдеу бойынша қосымша есептеу зерттеулеріне қош келдіңіз, бірақ SPM ұштарын қажетті атомдық дәлдікпен орналастыру қабілеті төмен температурада немесе тіпті бөлме температурасында эксперименттік түрде қайталап дәлелденді, бұл қабілеттің негізгі болуын көрсетеді. Қосымша құралдарды қарастыру үшін уақытты қажет ететін есептеу химиясы және қиын зертханалық жұмыстар қажет болады. Жұмыс істейтін нанофабрика әртүрлі реакциялар үшін жақсы жасалған әртүрлі ұштарды және күрделірек беттерге атомдарды орналастырудың егжей-тегжейлі талдауын қажет етеді. Бұл қазіргі ресурстарды ескере отырып, қиын мәселе болып көрінсе де, болашақ зерттеушілерге көмектесетін көптеген құралдар болады: Мур заңы компьютерлік қуаттың одан әрі артуын болжайды, жартылай өткізгіштерді жасау технологиялары наноөлшемге жақындауды жалғастыруда, ал зерттеушілер жаңа химияны жүзеге асыру үшін белоктарды, рибосомаларды және ДНК-ны пайдалануда одан да білікті болады.

There is a growing body of peer reviewed theoretical work on synthesizing diamond by mechanically removing/adding hydrogen atoms and depositing carbon atoms (a process known as mechanosynthesis). This work is slowly permeating the broader nanoscience community and is being critiqued. For instance, Peng et al. (2006) (in the continuing research effort by Freitas, Merkle and their collaborators) reports that the most studied mechanosynthesis tooltip motif (DCB6Ge) successfully places a C2 carbon dimer on a C(110) diamond surface at both 300 K (room temperature) and 80 K (liquid nitrogen temperature), and that the silicon variant (DCB6Si) also works at 80 K but not at 300 K. Over 100,000 CPU hours were invested in this latest study. The DCB6 tooltip motif, initially described by Merkle and Freitas at a Foresight Conference in 2002, was the first complete tooltip ever proposed for diamond mechanosynthesis and remains the only tooltip motif that has been successfully simulated for its intended function on a full 200 atom diamond surface. The tooltips modeled in this work are intended to be used only in carefully controlled environments (e. g., vacuum). Maximum acceptable limits for tooltip translational and rotational misplacement errors are reported in Peng et al. (2006) tooltips must be positioned with great accuracy to avoid bonding the dimer incorrectly. Peng et al. (2006) reports that increasing the handle thickness from 4 support planes of C atoms above the tooltip to 5 planes decreases the resonance frequency of the entire structure from 2.0 THz to 1.8 THz. More importantly, the vibrational footprints of a DCB6Ge tooltip mounted on a 384 atom handle and of the same tooltip mounted on a similarly constrained but much larger 636 atom "crossbar" handle are virtually identical in the non crossbar directions. Additional computational studies modeling still bigger handle structures are welcome, but the ability to precisely position SPM tips to the requisite atomic accuracy has been repeatedly demonstrated experimentally at low temperature, or even at room temperature constituting a basic existence proof for this capability. Further research to consider additional tooltips will require time consuming computational chemistry and difficult laboratory work. A working nanofactory would require a variety of well designed tips for different reactions, and detailed analyses of placing atoms on more complicated surfaces. Although this appears a challenging problem given current resources, many tools will be available to help future researchers: Moore's law predicts further increases in computer power, semiconductor fabrication techniques continue to approach the nanoscale, and researchers grow ever more skilled at using proteins, ribosomes and DNA to perform novel chemistry.

Көркем шығармалар

Нил Стивенсонның "Алмас дәуірі" кітабында алмасты тікелей көміртек атомдарынан жасауға болады. Шаңның мөлшерін анықтау құрылғыларынан алып алмаз дирижабльдеріне дейін, барлық құрылғылар көміртек, оттегі, азот және хлор атомдарын ғана пайдаланып, атомдық деңгейде құрастырылады. Эндрю Солцманның "Ертең" романында ғалым наноробототехниканы қолданып, қан тамырларына енгізген кезде, зақымдалған тіндерді дерлік бірден жазатын микроскопиялық машиналардың арқасында адамды дерлік жеңілмейтін ететін сұйықтық жасайды. Palladium Books-тің "Splicers" ролелік ойынында адамзат "нанобот індетіне" ұшырады, ол бағалы емес металдан жасалған кез келген затты адам тиісімен бірден бұрып, пішінін өзгертеді (кейде роботқа айналады). Бұл зат кейін адамға шабуыл жасайды. Осының салдарынан адамзат бұрын металдан жасалған құрылғыларды алмастыру үшін "биотехнологиялық" құрылғыларды жасауға мәжбүр болды. "Mystery Science Theater 3000" телешоуында Наниттер (Кевин Мерфи, Пол Чаплин, Мэри Джо Пелл және Бриджит Джонс-тың әртүрлі дауыстарында) – кемеде жұмыс істейтін, биоинженерлік жолмен жасалған, өздігінен көбейетін организмдер. Олар Махаббат спутнигінің компьютерлік жүйелерінде тұратын микроскопиялық жаратылыстар. (Олар "Жұлдызды жол: Келесі буын" эпизодындағы "Эволюция" эпизодындағы "наниттерге" ұқсас, олар "Энтерпрайзді" басып алған.) Наниттер 8-ші маусымда алғаш рет пайда болды. Нанотехнология тұжырымдамасына негізделген, олардың комикалық deus ex machina әрекеттеріне жедел жөндеу және құрылыс, шаш жасау, блоха циркінің наниттік нұсқасын қою, микроскопиялық соғыс жүргізу және тіпті Майктан "кішкентай мәселені шешуді" сұрағанда Байқаушылар планетасын жою сияқты әртүрлі тапсырмалар кірді. Олар сондай-ақ шағын сыра қайнату зауытын да басқарды. "Stargate Atlantis" сериалында өздігінен құрастырылатын нанороботтардан жасалған жау бар, ол планетаны "сұр тұманға" айналдырады. Майкл Крайтонның "Prey" романында өздігінен көбейетін нанороботтар жыртқыш мінез-құлықтары бар автономды наноқұрымдарды жасайды. Басты кейіпкер бұл құрымдар сұр тұман індетіне айналуына бұрын тоқтатуы керек. "Авангерлер: Шеңбер соғысы" және "Авангерлер: Соңғы ойын" фильмдерінде Тони Старктің "Темір адам" костюмі нанотехнологияны қолдану арқылы жасалды.

In The Diamond Age by Neal Stephenson, diamond can be built directly out of carbon atoms. All sorts of devices from dust size detection devices to giant diamond zeppelins are constructed atom by atom using only carbon, oxygen, nitrogen and chlorine atoms. In the novel Tomorrow by Andrew Saltzman , a scientist uses nanorobotics to create a liquid that when inserted into the bloodstream, renders one nearly invincible given that the microscopic machines repair tissue almost instantaneously after it is damaged. In the roleplaying game Splicers by Palladium Books, humanity has succumbed to a "nanobot plague" that causes any object made of a non precious metal to twist and change shape (sometimes into a type of robot) moments after being touched by a human. The object will then proceed to attack the human. This has forced humanity to develop "biotechnological" devices to replace those previously made of metal. On the television show Mystery Science Theater 3000, the Nanites (voiced variously by Kevin Murphy, Paul Chaplin, Mary Jo Pehl, and Bridget Jones) – are self replicating, bio engineered organisms that work on the ship, they are microscopic creatures that reside in the Satellite of Love's computer systems. (They are similar to the creatures in Star Trek: The Next Generation episode "Evolution", which featured "nanites" taking over the Enterprise.) The Nanites made their first appearance in season 8. Based on the concept of nanotechnology, their comical deus ex machina activities included such diverse tasks as instant repair and construction, hairstyling, performing a Nanite variation of a flea circus, conducting a microscopic war, and even destroying the Observers' planet after a dangerously vague request from Mike to "take care of [a] little problem". They also ran a microbrewery. Stargate Atlantis has an enemy made of self assembling nanorobots, which also convert a planet into grey goo. In the novel "Prey" by Michael Crichton, self replicating nanobots create autonomous nano swarms with predatory behaviors. The protagonist must stop the swarm before it evolves into a grey goo plague. In the films Avengers Infinity War and Avengers Endgame Tony Stark's Iron Man suit was constructed using nanotechnology.

Анықтамалық еңбектер

Бұл тақырыптағы негізгі техникалық анықтамалық еңбек – «Наножүйелер: молекулалық машиналар, өндіріс және есептеу», нақты бір класс потенциалды наномашиналар мен молекулалық өндіріс жүйелерін терең физикалық тұрғыдан талдайтын, олардың мүмкіндігі мен тиімділігін кеңінен зерттейтін еңбек. «Наножүйелер» Дрекслердің «Молекулалық машиналар және өндіріс, есептеу саласындағы қолданыстары» атты МТИ докторлық диссертациясына негізделген. Екі еңбекте де сканерлік зондтық және биомолекулалық технологиялармен басталатын технологиялық даму жолдары талқыланады. Дрекслер және басқалар молекулалық нанотехнология идеяларын бірнеше кітапта одан әрі дамытты. «Болашақтың шегінсіздігі: Нанотехнология революциясы» және «Болашақтың шегінсіздігі» – молекулалық нанотехнология идеяларын тым техникалық емес тілмен жеткізетін, оқуға оңай кітаптар. Осы саладағы басқа да маңызды еңбектер – Роберт Фрейтас пен Ральф Мерклдің «Кинематикалық өздігінен көбейтілетін машиналар», сондай-ақ Роберт Фрейтастың «Наномедицина» I том және IIА томдары. BC Crandall редакциялаған «Нанотехнология: Әлемдік жеткіліктілік туралы молекулалық болжамдар» MNT қолданысы үшін қызықты идеяларды ұсынады.