Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Механосинтез – реакция нәтижелерін реактивті молекулаларды белгілі бір молекулалық орындарға бағыттау үшін механикалық шектеулерді пайдалану арқылы анықтайтын, болжамдық химиялық синтездерді білдіретін термин. Қазіргі таңдағыда бұл мақсатқа қол жеткізетін биологиялық емес химиялық синтездер жоқ. Скандықтық туннельдік микроскоптармен кейбір атомдардың орналастырылуына қол жеткізілді.
Mechanosynthesis is a term for hypothetical chemical syntheses in which reaction outcomes are determined by the use of mechanical constraints to direct reactive molecules to specific molecular sites. There are presently no non biological chemical syntheses which achieve this aim. Some atomic placement has been achieved with scanning tunnelling microscopes.
Кіріспе
Кәдімгі химиялық синтезде немесе хемосинтезде реактивті молекулалар сұйықтықта немесе буда кездейсоқ жылу қозғалысы арқылы бір-бірімен кездеседі. Механосинтездің болжамдық процесінде реактивті молекулалар молекулалық механикалық жүйелерге бекітіледі, ал олардың кездесуі жоспарланған реттілікте, орналасуда және бағытта механикалық қозғалыстар арқылы оларды жақындастыру нәтижесінде болады. Механосинтездің потенциалды реактивтерді бөлек ұстап, қажетсіз реакциялардан сақтауға, ал қажетті реакцияларды молекулалық дірілдің көптеген циклдарында реактивтерді оңтайлы бағытта ұстап, күшейтуге қабілетті деп есептеледі. Биологияда рибосома бағдарламаланатын механосинтетикалық құрылғының мысалы болып табылады. Механохимияның биологиялық емес түрі сканерлік туннельдік микроскоптарды қолдана отырып, криогендік температурада жүзеге асырылды. Қазіргі уақытта мұндай құрылғылар молекулалық инженерия құралдарын жасауға ең жақын келеді. Механосинтезді кеңінен пайдалану молекулалық машиналар жүйелерін құру үшін жетілдірілген технологияны күтеді, рибосомаға ұқсас жүйелер тартымды бастапқы мақсат болып табылады. Алдын ала механосинтез туралы қызығушылықтың көп бөлігі оның молекулалық деңгейдегі құрылғыларды құрастырудағы потенциалды қолданылуына байланысты. Мұндай техникалар медицина, авиация, ресурстарды өндіру, өндіріс және соғыс салаларында көптеген қолданыстарға ие. Осындай жетілдірілген машиналардың теориялық зерттеулерінің көпшілігі көміртекті пайдалануға бағытталған, себебі ол көптеген берік байланыстарды құра алады, осы байланыстардың химиялық түрлерінің көптігі және медициналық және механикалық қолданудағы олардың пайдалылығы. Мысалы, көміртектен алмаз пайда болады, егер ол қолжетімді болса, көптеген машиналар үшін тамаша материал болар еді. К. Эрик Дрекслер механосинтездің атомдық дәлдікпен макроскопиялық объектілерді құрауға қабілетті нанофабрикалар негізіндегі молекулалық өндірістің негізі болады деп ұсынды. Бұл мүмкіндіктер, әсіресе Нобель сыйлығының лауреаты Ричард Смолли (ол "Смолли саусақтарына" негізделген жұмыс істемейтін тәсілді ұсынды және сынады) тарапынан күмәндалған. 2000 жылы Роберт Фрейтас және Ральф Меркл құрған Nanofactory Collaboration 10 ұйым мен 4 елден 23 зерттеушіні қамтиды, бұл позициялық бақыланатын алмаз механосинтезін және алмазды нанофабрикаларды дамытуға бағытталған тәжірибелік зерттеулердің күн тәртібін әзірлеуге бағытталған. Іс жүзінде микроскоптың ұшында белгілі бір орынға дәл бір молекуланы жеткізу мүмкін, бірақ оны автоматтандыру қиын болып шықты. Практикалық өнімдер үшін кем дегенде бірнеше жүз миллион атом қажет болғандықтан, бұл техника әлі күнге дейін нақты өнім жасау үшін тиімді болып табылған жоқ. Механомонтаж зерттеулерінің бір бағыты осы мәселелерді калибрлеу және тиісті синтез реакцияларын таңдау арқылы шешуге бағытталған. Кейбіреулер сыртқы компьютердің бақылауымен механикалық-химиялық құралдарды қолдана отырып, өзін-өзі көшіруге қабілетті арнайы, өте кішкентай (шамамен 1000 нанометр) машина құралын жасауды ұсынады. Әдебиетте мұндай құрал құрастырушы немесе молекулалық құрастырушы деп аталады. Құрастырушылар пайда болғаннан кейін геометриялық өсу (көшірмелерді көшірме жасауға бағыттау) құрастырушылардың құнын тез төмендетуі мүмкін. Сыртқы компьютермен басқару құрастырушылардың үлкен тобына атомдық дәлдікпен үлкен, пайдалы жобаларды жасауға мүмкіндік береді. Мұндай жобалардың бірі молекулалық деңгейдегі конвейерлік ленталарды тұрақты орнатылған құрастырушылармен біріктіріп, зауыт құру болар еді. Өнеркәсіптік апаттардың қаупі және Чернобыль мен Бхопал сияқты қашып кеткен оқиғалар туралы қорқыныштарды, сондай-ақ экофагия, сұр және жасыл иіс (механосинтез арқылы жасалуы мүмкін қашып кеткен репликаторлардан туындайтын әртүрлі потенциалды апаттар) мәселелерін шешу үшін 2003 жылы Ұлыбритания Корольдік қоғамы мен Ұлыбритания Корольдік инженерлік академиясы осы мәселелерді және үлкен әлеуметтік және экологиялық салдарларды зерттеуді тапсырды, бұл зерттеуді механикалық инженерия профессоры Энн Даулинг басқарды. Кейбіреулер бұл мәселелер мен мүмкіндіктер бойынша қатаң ұстаным қабылданады және сондай-ақ механосинтез деп аталатын жалпы теорияға даму жолын ұсынады деп күтті. Алайда Корольдік қоғамның нанотехнология туралы есебі молекулалық өндіріске мүлдем тоқталмады, тіпті оны сұр иіспен бірге жоққа шығарды. Қазіргі уақытта нанофабрикаларға қатысты техникалық ұсыныстар өзін-өзі көшіруге қабілетті нанороботтарды қамтымайды және соңғы этикалық нұсқаулар наномашиналарда шектеусіз өзін-өзі көшіру қабілеттерін дамытуға тыйым салады.
In conventional chemical synthesis or chemosynthesis, reactive molecules encounter one another through random thermal motion in a liquid or vapor. In a hypothesized process of mechanosynthesis, reactive molecules would be attached to molecular mechanical systems, and their encounters would result from mechanical motions bringing them together in planned sequences, positions, and orientations. It is envisioned that mechanosynthesis would avoid unwanted reactions by keeping potential reactants apart, and would strongly favor desired reactions by holding reactants together in optimal orientations for many molecular vibration cycles. In biology, the ribosome provides an example of a programmable mechanosynthetic device. A non biological form of mechanochemistry has been performed at cryogenic temperatures using scanning tunneling microscopes. So far, such devices provide the closest approach to fabrication tools for molecular engineering. Broader exploitation of mechanosynthesis awaits more advanced technology for constructing molecular machine systems, with ribosome like systems as an attractive early objective. Much of the excitement regarding advanced mechanosynthesis regards its potential use in assembly of molecular scale devices. Such techniques appear to have many applications in medicine, aviation, resource extraction, manufacturing and warfare. Most theoretical explorations of advanced machines of this kind have focused on using carbon, because of the many strong bonds it can form, the many types of chemistry these bonds permit, and utility of these bonds in medical and mechanical applications. Carbon forms diamond, for example, which if cheaply available, would be an excellent material for many machines. It has been suggested, notably by K. Eric Drexler, that mechanosynthesis will be fundamental to molecular manufacturing based on nanofactories capable of building macroscopic objects with atomic precision. The potential for these has been disputed, notably by Nobel Laureate Richard Smalley (who proposed and then critiqued an unworkable approach based on "Smalley fingers"). The Nanofactory Collaboration, founded by Robert Freitas and Ralph Merkle in 2000, is a focused ongoing effort involving 23 researchers from 10 organizations and 4 countries that is developing a practical research agenda specifically aimed at positionally controlled diamond mechanosynthesis and diamondoid nanofactory development. In practice, getting exactly one molecule to a known place on the microscope's tip is possible, but has proven difficult to automate. Since practical products require at least several hundred million atoms, this technique has not yet proven practical in forming a real product. The goal of one line of mechanoassembly research focuses on overcoming these problems by calibration, and selection of appropriate synthesis reactions. Some suggest attempting to develop a specialized, very small (roughly 1,000 nanometers on a side) machine tool that can build copies of itself using mechanochemical means, under the control of an external computer. In the literature, such a tool is called an assembler or molecular assembler. Once assemblers exist, geometric growth (directing copies to make copies) could reduce the cost of assemblers rapidly. Control by an external computer should then permit large groups of assemblers to construct large, useful projects to atomic precision. One such project would combine molecular level conveyor belts with permanently mounted assemblers to produce a factory. In part to resolve this and related questions about the dangers of industrial accidents and popular fears of runaway events equivalent to Chernobyl and Bhopal disasters, and the more remote issue of ecophagy, grey goo and green goo (various potential disasters arising from runaway replicators, which could be built using mechanosynthesis) the UK Royal Society and UK Royal Academy of Engineering in 2003 commissioned a study to deal with these issues and larger social and ecological implications, led by mechanical engineering professor Ann Dowling. This was anticipated by some to take a strong position on these problems and potentials —– and suggest any development path to a general theory of so called mechanosynthesis. However, the Royal Society's nanotech report did not address molecular manufacturing at all, except to dismiss it along with grey goo. Current technical proposals for nanofactories do not include self replicating nanorobots, and recent ethical guidelines would prohibit development of unconstrained self replication capabilities in nanomachines.
Алмаз механизмі
Алмазды механикалық жолмен сутек атомдарын алып тастау/қосу және көміртек атомдарын орналастыру арқылы синтездеу туралы рецензияланған теориялық жұмыстар көбейіп келеді (бұл процесс алмаз механосинтезі немесе DMS деп аталады). Мысалы, Фрейтас, Меркль және олардың әріптестерінің 2006 жылғы зерттеу жұмысында ең көп зерттелген механосинтез құрал-сайман мотиві (DCB6Ge) C2 көміртегі димерін C(110) алмаз бетіне 300 К (бөлме температурасы) және 80 К (сұйық азот температурасы) температурасында сәтті орналастыратыны, ал кремний нұсқасы (DCB6Si) 80 К-те, бірақ 300 К-те жұмыс істемейтіні хабарланды. Бұл құрал-сайман тек қатаң бақыланатын жағдайларда (мысалы, вакуумде) қолданылуы тиіс. Құрал ұшының трансляциялық және бұрылу қателіктерінің максималды рұқсат етілетін шектері III мақалада келтірілген – димерді дұрыс байланыстырмау үшін құрал ұшы өте дәл орналастырылуы керек. Осы зерттеуге 100 000-нан астам процессорлық сағат жұмсалды. 2002 жылы Foresight конференциясында алғаш рет сипатталған DCB6Ge құрал ұшы мотиві алмаз механосинтезі үшін ұсынылған алғашқы толық құрал ұшы болып табылады және қазірге дейін толық 200 атомдық алмаз бетінде жоспарланған функциясы бойынша сәтті модельдеу жасалған жалғыз құрал ұшы мотиві болып қала береді. Алғашқы мақалалардың бірінде осы құрал ұшы үшін секундқа 1 димерлік орналастыру жылдамдығы болжанып айтылған, бірақ бұл шектеу тиімсіз қайта зарядтау әдісімен құралды қайта зарядтаудың баяу жылдамдығымен шектелген. Бұл әдіс сутек, көміртегі және германийден жасалған тоғыз молекулалық құралдар жиынтығын талдайды, олар (а) жиынтықтағы барлық құралдарды синтездеуге, (б) тиісті бастапқы материалдардан жиынтықтағы барлық құралдарды қайта зарядтауға және (в) алмаз, графит, фуллерен сияқты кең ауқымды берік көмірсутектерді синтездеуге қабілетті. Барлық қажетті реакциялар стандартты ab initio кванттық химия әдістерін қолдану арқылы талданады. Балама ұштарды қарастыру үшін болашақ зерттеулерге көп уақытты қажет ететін есептеу химиясы және қиын зертханалық жұмыс қажет болады. 2000 жылдардың басында, әдеттегі тәжірибелік жол атомдық күш микроскопының ұшына молекуланы бекіту және содан кейін микроскоптың дәл позициялау мүмкіндіктерін пайдаланып, ұштағы молекуланы субстраттағы басқа молекулаға итеру болды. Бұрыштар мен қашықтықтарды дәл басқаруға болатындықтан және реакция вакуумде жүргізілетіндіктен, жаңа химиялық қосылыстар мен құрылымдар жасау мүмкін.
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 diamond mechanosynthesis or DMS). For example, the 2006 paper in this 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. These tooltips 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 paper III—tooltips must be positioned with great accuracy to avoid bonding the dimer incorrectly. Over 100,000 CPU hours were invested in this study. The DCB6Ge tooltip motif, initially described 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. Although an early paper gives a predicted placement speed of 1 dimer per second for this tooltip, this limit was imposed by the slow speed of recharging the tool using an inefficient recharging method analyzes a complete set of nine molecular tools made from hydrogen, carbon and germanium able to (a) synthesize all tools in the set (b) recharge all tools in the set from appropriate feedstock molecules and (c) synthesize a wide range of stiff hydrocarbons (diamond, graphite, fullerenes, and the like). All required reactions are analyzed using standard ab initio quantum chemistry methods. Further research to consider alternate tips will require time consuming computational chemistry and difficult laboratory work. In the early 2000s, a typical experimental arrangement was to attach a molecule to the tip of an atomic force microscope, and then use the microscope's precise positioning abilities to push the molecule on the tip into another on a substrate. Since the angles and distances can be precisely controlled, and the reaction occurs in a vacuum, novel chemical compounds and arrangements are possible.
Тарих
Бір атомды механикалық түрде жылжыту әдісін Эрик Дрекслер 1986 жылғы «Жаратылыс машиналары» кітабында ұсынған. 1989 жылы IBM-нің Цюрих зерттеу институтының ғалымдары ксенон атомдарын криогенді мыс бетіне орналастырып, «IBM» деген жазуды жасады, бұл тәсілді нақты растады. Одан бері көптеген зерттеу жобалары компьютерлік деректерді ықшам түрде сақтау үшін ұқсас техникаларды пайдалануға тырысты. Соңғы кезде бұл әдіс жаңа физикалық химияны зерттеу үшін қолданылып келеді, кейде лазерлердің көмегімен ұштарды белгілі бір энергия деңгейлеріне жеткізу үшін, немесе нақты химиялық байланыстардың кванттық химиясын зерттеу үшін пайдаланылады. 1999 жылы тәжірибелік тұрғыдан дәлелденген, қасиетке бағытталған сканерлеу (FOS) деп аталатын әдістеме ұсынылды. Қасиетке бағытталған сканерлеу әдістемесі сканерлік зондты микроскоптың (СЗМ) зондын атомдық бетте бөлме температурасында дәл бақылауға мүмкіндік береді. Ұсынылған әдістеме механосинтез және төменнен жоғарыға қарай наноөндіріс міндеттерін шешуде бір және көп зондты құралдарды толық автоматты түрде басқаруды қолдайды. 2003 жылы Оябу және авторлар тобы таза механикалық негізде ковалентті байланыстарды жасау және бұзудың алғашқы мысалын көрсетті, яғни кремний атомдарын пайдалана отырып, нақты механосинтездің алғашқы тәжірибелік демонстрациясы болды. 2005 жылы алмазды механосинтез бойынша алғашқы патентке өтінім берілді. 2008 жылы механосинтез жүйесінің принциптік мүмкіндігін дәлелдеуді қаржыландыру үшін 3,1 миллион долларлық грант ұсынылды. 2013 жылы IBM «Бала және оның атомы» атты қысқа анимациялық фильмін жасады. Сондай-ақ, молекулалық нанотехнология туралы, мүмкін болатын өнімдердің толық сипаттамасы және басқа құрастыру техникалары туралы қараңыз.
The technique of moving single atoms mechanically was proposed by Eric Drexler in his 1986 book The Engines of Creation. In 1989, researchers at IBM's Zürich Research Institute successfully spelled the letters "IBM" in xenon atoms on a cryogenic copper surface, grossly validating the approach. Since then, a number of research projects have undertaken to use similar techniques to store computer data in a compact fashion. More recently the technique has been used to explore novel physical chemistries, sometimes using lasers to excite the tips to particular energy states, or examine the quantum chemistry of particular chemical bonds. In 1999, an experimentally proved methodology called feature oriented scanning (FOS) was suggested. The feature oriented scanning methodology allows precisely controlling the position of the probe of a scanning probe microscope (SPM) on an atomic surface at room temperature. The suggested methodology supports fully automatic control of single and multiprobe instruments in solving tasks of mechanosynthesis and bottom up nanofabrication. In 2003, Oyabu et al. reported the first instance of purely mechanical based covalent bond making and bond breaking, i. e., the first experimental demonstration of true mechanosynthesis—albeit with silicon rather than carbon atoms. In 2005, the first patent application on diamond mechanosynthesis was filed. In 2008, a $3.1 million grant was proposed to fund the development of a proof of principle mechanosynthesis system. In 2013, IBM made A Boy and His Atom, a short animated film using atoms. See also molecular nanotechnology, a more general explanation of the possible products, and discussion of other assembly techniques.