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.

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.

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.

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.