Молекулярная нанотехнология: принципы и перспективы развития

Молекулярная нанотехнология (MNT): создание структур на атомном уровне с помощью механосинтеза. Миниатюрные фабрики, наномашины, точное производство.

22 мин чтения

100%

Источник: Molecular nanotechnology — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Технология

Молекулярная нанотехнология (МНТ) – это технология, основанная на возможности создания структур с высокой точностью, до уровня отдельных атомов, посредством механического синтеза. Она отличается от наноматериалов. В основе МНТ лежит видение Ричарда Фейнмана о миниатюрных фабриках, использующих наномашины для производства сложных продуктов (включая дополнительные наномашины). Эта продвинутая форма нанотехнологии (или молекулярное производство) предполагает использование позиционно-контролируемого механического синтеза, управляемого молекулярными машинами. МНТ предполагает объединение физических принципов, продемонстрированных биофизикой, химией, другими нанотехнологиями и молекулярными механизмами жизни, с принципами системной инженерии, применяемыми на современных макромасштабных предприятиях.

Введение

В то время как традиционная химия использует неточные процессы, дающие неточные результаты, а биология использует неточные процессы для получения точных результатов, молекулярная нанотехнология будет использовать принципиально точные процессы для получения точных результатов. Цель молекулярной нанотехнологии – сбалансировать молекулярные реакции в позиционно контролируемых местах и ориентациях для получения желаемых химических реакций, а затем создавать системы, собирая продукты этих реакций. Разработка дорожной карты МНТ является целью широкомасштабного технологического проекта, возглавляемого Battelle (управляющей несколькими национальными лабораториями США) и Институтом перспективных исследований. Изначально планировалось завершить дорожную карту к концу 2006 года, но она была опубликована в январе 2008 года. Nanofactory Collaboration – это более узконаправленное продолжающееся усилие, в котором участвуют 23 исследователя из 10 организаций и 4 стран, разрабатывающих практическую исследовательскую программу, специально ориентированную на позиционно контролируемый алмазный механосинтез и разработку нанофабрики на основе алмазоидов. В августе 2005 года Центр ответственной нанотехнологии организовал рабочую группу, состоящую из более чем 50 международных экспертов из различных областей, для изучения социальных последствий молекулярной нанотехнологии.

Умные материалы и наносенсоры

Любой материал, разработанный и спроектированный в нанометровом масштабе для выполнения конкретной задачи, является «умным» материалом. Если бы материалы можно было спроектировать так, чтобы они по-разному реагировали на различные молекулы, например, искусственные лекарства могли бы распознавать и нейтрализовать определенные вирусы. Самовосстанавливающиеся структуры естественным образом залечивали бы небольшие повреждения поверхности, подобно тому, как это делает кожа человека. Наносенсор можно рассматривать как разновидность «умного» материала – это небольшой компонент в составе более сложного устройства, который реагирует на окружающую среду и изменяется каким-либо принципиальным, намеренным образом. Простой пример: фотосенсор может пассивно измерять интенсивность света и преобразовывать поглощенную энергию в электричество, когда уровень освещенности превышает или опускается ниже определенного порога, отправляя сигнал в основное устройство. Предполагается, что такой сенсор будет дешевле и энергоэффективнее традиционных сенсоров, при этом сохранит полезность во всех тех же областях применения – например, для автоматического включения освещения на парковках с наступлением темноты. Хотя «умные» материалы и наносенсоры демонстрируют полезные применения МНТ, они уступают по сложности технологии, наиболее часто ассоциирующейся с этим термином: самовоспроизводящемуся нанороботу.

Репликационные нанороботы

Нанофабрикация МНТ часто ассоциируется с идеей роя скоординированных нанороботов, работающих совместно – это популяризация раннего предложения К. Эрика Дрекслера, высказанного в его обсуждениях МНТ в 1986 году, но пересмотренного в 1992 году. В этом изначальном предложении достаточно совершенные нанороботы должны были бы создавать других нанороботов в искусственной среде, содержащей специальные молекулярные строительные блоки. Критики сомневаются как в принципиальной возможности самовоспроизводящихся нанороботов, так и в возможности их контроля, если бы такие нанороботы были созданы: они указывают на вероятность мутаций, приводящих к потере контроля и способствующих размножению мутантных патогенных вариантов. Сторонники отвечают на первое сомнение, указывая на то, что первый макромасштабный автономный репликатор, собранный из кубиков Lego, был построен и испытан в 2002 году. Хотя макромасштаб предоставляет сенсорные преимущества по сравнению с ограниченными возможностями сенсорного восприятия в наномасштабе, в предложениях по позиционно-управляемым наномасштабным системам механосинтеза используется инерциальная навигация рабочих органов в сочетании с надежным проектированием последовательности реакций для обеспечения достоверных результатов, следовательно, ограниченное сенсорное восприятие не является препятствием; аналогичные соображения применимы и к позиционной сборке небольших наночастиц. В отношении второго сомнения сторонники утверждают, что бактерии эволюционировали, чтобы эволюционировать (по необходимости), в то время как мутации нанороботов можно активно предотвращать с помощью общепринятых методов коррекции ошибок. Схожие идеи изложены в Руководстве Foresight по молекулярной нанотехнологии, а карта 137-мерного пространства репликаторов, недавно опубликованная Фрейтасом и Мерклем, предлагает множество способов, с помощью которых репликаторы, в принципе, могли бы безопасно контролироваться посредством грамотного проектирования. Однако концепция подавления мутаций ставит вопрос: каким образом может происходить эволюция дизайна в наномасштабе без процесса случайных мутаций и детерминированного отбора? Критики утверждают, что сторонники МНТ не предложили альтернативу такому процессу эволюции в этой нанообласти, где отсутствуют традиционные процессы отбора, основанные на сенсорном восприятии. Ограниченность сенсорного восприятия в наномасштабе может затруднить или сделать невозможным отделение успешных результатов от неудачных. Сторонники утверждают, что эволюция дизайна должна происходить детерминированно и строго под контролем человека, используя общепринятую инженерную парадигму: моделирование, проектирование, создание прототипов, тестирование, анализ и перепроектирование. В любом случае, с 1992 года технические предложения по МНТ не включают самовоспроизводящихся нанороботов, а недавние этические рекомендации, выдвинутые сторонниками МНТ, запрещают бесконтрольное самовоспроизведение.

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.

Медицинские нанороботы

Одним из наиболее важных применений МНТ будет медицинская нанороботика или наномедицина – область, основоположником которой является Роберт Фрейтас, представивший многочисленные книги и статьи. Возможность проектирования, создания и внедрения большого количества медицинских нанороботов, как минимум, позволит быстро устранять заболевания и обеспечивать надежное и относительно безболезненное восстановление после физических травм. Медицинские нанороботы также могут сделать возможной удобную коррекцию генетических дефектов и способствовать значительному увеличению продолжительности жизни. Более спорным является возможность использования медицинских нанороботов для усиления естественных человеческих способностей. В одном исследовании рассматривались способы решения таких проблем, как опухоли, артериосклероз, тромбы, приводящие к инсульту, накопление рубцовой ткани и локализованные очаги инфекции, с помощью медицинских нанороботов.

Коммунальный туман

Другим предлагаемым применением молекулярной нанотехнологии является "утилитарный туман" — концепция, в которой облако связанных микроскопических роботов (более простых, чем ассемблеры) изменяет свою форму и свойства, чтобы создавать макроскопические объекты и инструменты по командам программного обеспечения. Утилитарный туман не просто изменит существующие способы использования материальных благ в различных формах, а заменит множество физических объектов.

Фазовые оптические массивы

Еще одно предлагаемое применение МНТ — фазированная массивная оптика (PAO). Однако, похоже, что эта задача решаема с помощью обычной нанотехнологии. PAO будет использовать принцип фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона, но на оптических длинах волн. Это позволит виртуально воспроизводить любые оптические эффекты. Пользователи смогут заказывать голограммы, восходы и закаты или парящие лазеры в зависимости от настроения. Системы PAO были описаны в книге Б.К. Крэндалла «Нанотехнологии: Молекулярные предположения о глобальном изобилии» в статье Брайана Воука «Фазированная массивная оптика».

Потенциальные социальные последствия

Молекулярное производство – это потенциальное будущее направление нанотехнологий, которое позволит создавать сложные структуры с атомной точностью. Молекулярное производство требует значительных достижений в области нанотехнологий, но, будучи достигнутым, сможет производить высокотехнологичную продукцию по низким ценам и в больших количествах на нанофабриках весом в килограмм и более. Оснащенные компактными компьютерами и двигателями, они смогут становиться все более автономными и обладать широким спектром возможностей. Ряд исследователей в области нанотехнологий утверждают, что основная опасность нанотехнологий заключается в потенциальной возможности спровоцировать войну, гонку вооружений и установление деструктивного глобального правительства. Было предложено несколько причин, по которым доступность нанотехнологического оружия с высокой вероятностью может привести к нестабильной гонке вооружений (в отличие, например, от ядерной гонки вооружений): (1) большое число участников может быть заинтересовано в присоединении к гонке, поскольку порог входа в нее низок; (4) молекулярное производство может снизить зависимость от международной торговли; (5) агрессивные войны могут представлять меньшую экономическую угрозу для агрессора, поскольку производство будет дешевым, а потребность в людях на поле боя может отпасть. Меры по смягчению рисков, связанных с войной, в основном предлагаются в сфере международного сотрудничества. Международная инфраструктура может быть расширена, предоставив больше суверенитета на международном уровне. Это может помочь координировать усилия по контролю над вооружениями. Могут быть разработаны международные институты, специально занимающиеся нанотехнологиями (возможно, по аналогии с Международным агентством по атомной энергии – МАГАТЭ) или общим контролем над вооружениями. Повышение прозрачности в отношении технологических возможностей может стать еще одним важным фактором, способствующим контролю над вооружениями. «Серый слизь» – это еще один катастрофический сценарий, предложенный Эриком Дрекслером в его книге 1986 года «Машины созидания», проанализированный Фрейтасом в работе «Некоторые ограничения глобальной экофагии биофагическими нанорепликаторами с рекомендациями по государственной политике» и получивший отражение в основных средствах массовой информации и художественной литературе. Этот сценарий предполагает существование крошечных самовоспроизводящихся роботов, которые поглощают всю биосферу, используя ее в качестве источника энергии и строительных блоков. Эксперты в области нанотехнологий, включая Дрекслера, в настоящее время опровергают этот сценарий. По словам Криса Феникса, «так называемый серый слизь может быть лишь результатом преднамеренного и сложного инженерного процесса, а не случайности». С развитием нанобиотехнологий был предложен другой сценарий, получивший название «зеленый слизь». В этом случае злонамеренным веществом являются не наноботы, а самовоспроизводящиеся биологические организмы, созданные с помощью нанотехнологий.

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.

Преимущества

Нанотехнология (или молекулярная нанотехнология, если речь идет конкретно о целях, обсуждаемых здесь) позволит нам продолжить исторические тенденции в производстве, доводя их до фундаментальных пределов, установленных законами физики. Это позволит создавать невероятно мощные молекулярные компьютеры. Это позволит изготавливать материалы, более чем в 50 раз легче стали или алюминиевых сплавов, но с той же прочностью. Мы сможем создавать самолеты, ракеты, автомобили и даже стулья, которые по сегодняшним стандартам будут удивительно легкими, прочными и недорогими. Молекулярные хирургические инструменты, управляемые молекулярными компьютерами и вводимые в кровоток, смогут находить и уничтожать раковые клетки или проникающие бактерии, очищать артерии или обеспечивать кислородом при нарушении кровообращения. Нанотехнологии заменят всю нашу производственную базу новым, радикально более точным, радикально менее дорогим и радикально более гибким способом производства. Цель состоит не просто в замене современных заводов по производству компьютерных чипов, но и в замене конвейерных линий для автомобилей, телевизоров, телефонов, книг, хирургических инструментов, ракет, книжных шкафов, самолетов, тракторов и всего остального. Задача – повсеместное изменение в производстве, которое практически не оставит нетронутым ни один продукт. Экономический прогресс и военная готовность в XXI веке будут фундаментально зависеть от поддержания конкурентоспособной позиции в области нанотехнологий. Несмотря на текущую раннюю стадию развития нанотехнологий и молекулярной нанотехнологии, многие опасения связаны с ожидаемым влиянием MNT на экономику и право. Какими бы ни были точные последствия, MNT, в случае ее реализации, будет способствовать снижению дефицита промышленных товаров и увеличению количества производимых товаров (таких как продукты питания и средства для поддержания здоровья). MNT должна сделать возможными наномедицинские возможности, способные излечить любое заболевание, которое еще не было излечено благодаря достижениям в других областях. Хорошее здоровье станет обычным явлением, а плохое здоровье в любой форме будет таким же редким, как оспа и цинга сегодня. Даже крионика станет осуществимой, поскольку криоконсервированные ткани можно будет полностью восстановить.

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.

Риски

Молекулярная нанотехнология – одна из технологий, которая, по мнению некоторых аналитиков, может привести к технологической сингулярности, при которой темпы технологического роста ускорятся до точки, вызывающей непредсказуемые последствия. Некоторые из этих последствий могут быть благотворными, а другие – разрушительными, например, использование молекулярной нанотехнологии враждебным искусственным общим интеллектом. Многие полагают, что молекулярная нанотехнология сопряжена с серьезными рисками. Она потенциально может позволить создавать более дешевое и мощное обычное оружие. Кроме того, молекулярная нанотехнология может привести к созданию оружия массового уничтожения, способного к самовоспроизведению, подобно тому, как вирусы и раковые клетки атакуют человеческий организм. Большинство экспертов сходятся во мнении, что в случае разработки молекулярной нанотехнологии, её самовоспроизведение должно быть разрешено только в строго контролируемых или "принципиально безопасных" условиях. Существует опасение, что наномеханические роботы, если они будут созданы и спроектированы для самовоспроизводства с использованием доступных в природе материалов (что является сложной задачей), могут поглотить всю планету в поисках сырья или просто вытеснить естественную жизнь, обогнав её в борьбе за энергию (как это произошло в истории с появлением цианобактерий, которые превзошли более ранние формы жизни). Некоторые называют эту ситуацию сценарием "серой слизи" или "экофагии". К. Эрик Дрекслер считает случайный сценарий "серой слизи" крайне маловероятным и заявляет об этом в более поздних изданиях книги "Двигатели творения". В связи с этим восприятием потенциальной опасности, Институт перспективных исследований, основанный Дрекслером, разработал набор руководящих принципов для этичного развития нанотехнологий. Эти принципы включают запрет на свободное самовоспроизведение псевдоорганизмов, осуществляющих поиск ресурсов, по крайней мере, на поверхности Земли и, возможно, в других местах.

Технические вопросы и критические замечания

Возможность реализации основных технологий, проанализированных в книге «Наносистемы», была предметом формальной научной оценки Национальной академией наук США и вызвала широкие дискуссии в интернете и в средствах массовой информации.

Исследование и рекомендации Национальной академии наук США

В 2006 году Национальная академия наук США опубликовала отчет об исследовании молекулярного производства в рамках более обширного доклада "Вопрос размера: трехлетний обзор Национальной нанотехнологической инициативы". Комитет, проводивший исследование, рассмотрел техническое содержание работ по наносистемам и в своем заключении отмечает, что ни один из существующих теоретических анализов нельзя считать окончательным при рассмотрении ряда вопросов, касающихся потенциальной производительности систем, и что оптимальные пути реализации высокопроизводительных систем предсказать с уверенностью невозможно. В отчете рекомендуется проводить экспериментальные исследования для углубления знаний в этой области:

"Хотя сегодня можно проводить теоретические расчеты, диапазон достижимых химических реакционных циклов, частота ошибок, скорость работы и термодинамическая эффективность подобных систем молекулярного производства "снизу вверх" в настоящее время предсказать надежно невозможно. Следовательно, потенциальное совершенство и сложность изготавливаемых продуктов, которые можно рассчитать теоретически, предсказать с уверенностью не представляется возможным. Наконец, оптимальные направления исследований, которые могли бы привести к системам, значительно превосходящим термодинамическую эффективность и другие характеристики биологических систем, в настоящее время также предсказать надежно невозможно. Наиболее целесообразным финансированием исследований является поддержка исследователей, способных продемонстрировать экспериментальные результаты, связанные с абстрактными моделями и определяющие долгосрочную перспективу развития".

Сборщики против нанофабрик

В разделе "Двигатели творения" Дрекслера есть подзаголовок "Универсальные сборщики", а последующий текст говорит о множестве типов сборщиков, которые, в совокупности, гипотетически могли бы "создать почти всё, что допускают законы природы". Коллега Дрекслера, Ральф Меркл, отметил, что, вопреки распространенному заблуждению, Дрекслер никогда не утверждал, что сборные системы способны создавать абсолютно любую молекулярную структуру. В примечаниях к книге Дрекслера разъясняется значение слова "почти": "Например, можно спроектировать хрупкую конструкцию, которая, подобно каменной арке, саморазрушится, если все её части не будут установлены одновременно. Если в конструкции не предусмотрено место для установки и удаления поддерживающих элементов, то её создание может оказаться невозможным. Однако, маловероятно, что многие конструкции, представляющие практический интерес, столкнутся с подобной проблемой". В 1992 году Дрекслер опубликовал книгу "Наносистемы: молекулярные машины, производство и вычисления", в которой подробно изложил предложение по синтезу жестких ковалентных структур с использованием фабрики настольного размера. Диамантовые структуры и другие жесткие ковалентные структуры, в случае их реализации, имели бы широкий спектр возможных применений, значительно превосходящий возможности современной MEMS-технологии. В 1992 году был предложен план создания фабрики настольного размера без использования сборщика. Другие исследователи начали разрабатывать предварительные альтернативные подходы, критикующие концепцию универсальных сборщиков, что привело к опровержению со стороны Дрекслера и его коллег и, в конечном итоге, к переписке. Смолли утверждал, что химия чрезвычайно сложна, реакции трудно контролировать, и что универсальный сборщик – это научная фантастика. Однако Дрекслер и его коллеги отметили, что Дрекслер никогда не предлагал универсальных сборщиков, способных создавать абсолютно всё, а вместо этого предлагал более ограниченные сборщики, способные создавать очень широкий спектр вещей. Они поставили под сомнение уместность аргументов Смолли по отношению к более конкретным предложениям, изложенным в "Наносистемах". Кроме того, Смолли утверждал, что почти вся современная химия включает в себя реакции, протекающие в растворителе (обычно в воде), поскольку небольшие молекулы растворителя вносят вклад во многие процессы, например, снижают энергию активации переходных состояний. Поскольку почти для всех известных химических реакций требуется растворитель, Смолли считал, что предложение Дрекслера использовать среду высокого вакуума нереализуемо. Однако Дрекслер рассматривает этот вопрос в "Наносистемах", математически показывая, что хорошо спроектированные катализаторы могут обеспечивать эффекты растворителя и, в принципе, быть даже более эффективными, чем реакция с участием растворителя и фермента. Примечательно, что, вопреки мнению Смолли о том, что ферментам необходима вода, "ферменты не только активно работают в безводных органических средах, но и в этой неестественной среде приобретают замечательные свойства, такие как значительно повышенная стабильность, радикально измененная субстратная и энантиомерная специфичность, молекулярная память и способность катализировать необычные реакции".

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."

Переопределение термина "нанотехнология"

В будущем необходимо найти способы эволюции конструкций МНТ в наномасштабе, имитирующие процесс биологической эволюции на молекулярном уровне. Биологическая эволюция происходит за счет случайных изменений в усредненных ансамблях организмов, сопровождающихся отбором менее успешных вариантов и размножением более успешных. Макроскомическое инженерное проектирование также развивается посредством эволюции конструкции от простоты к сложности, что Джон Галл изложил в несколько сатирической форме: «Сложная, работающая система неизменно оказывается результатом эволюции из простой, работающей системы. Сложную систему, спроектированную с нуля, невозможно заставить работать, и её нельзя исправить. Нужно начинать сначала, с работающей системы». Для МНТ необходим прорыв, который позволит переходить от простых атомных ансамблей, создаваемых, например, с помощью STM, к сложным системам МНТ посредством процесса эволюции конструкции. Препятствием в этом процессе является сложность наблюдения и манипулирования в наномасштабе по сравнению с макромасштабом, что затрудняет детерминированный отбор успешных попыток. В отличие от этого, биологическая эволюция происходит благодаря действию того, что Ричард Докинз назвал «слепым часовщиком», включающим случайные молекулярные вариации и детерминированное воспроизводство/вымирание. В настоящее время, в 2007 году, нанотехнологии охватывают как стохастические подходы (например, супрамолекулярная химия для создания водонепроницаемых брюк), так и детерминированные подходы, при которых отдельные молекулы (созданные стохастической химией) манипулируются на поверхностях подложек (созданных стохастическими методами осаждения) детерминированными методами, такими как подталкивание зондами STM или AFM и инициирование простых реакций связывания или разрыва связей. Мечта о сложной, детерминированной молекулярной нанотехнологии остается недостижимой. С середины 1990-х годов тысячи ученых, занимающихся поверхностями, и специалистов по тонким пленкам присоединились к движению в области нанотехнологий и переопределили свои дисциплины как нанотехнологии. Это привело к значительной путанице в этой области и породило тысячи «нано» публикаций в рецензируемой литературе. Большинство этих отчетов являются развитием более традиционных исследований, проводимых в соответствующих областях.

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.

Возможность реализации предложений в наносистемах

Поэтому осуществимость предложений Дрекслера во многом зависит от того, возможно ли построить конструкции, подобные тем, что описаны в «Наносистемах», без универсального сборщика и будут ли они работать, как заявлено. Сторонники молекулярной нанотехнологии часто утверждают, что с 1992 года в «Наносистемах» не было обнаружено существенных ошибок. Даже некоторые критики признают, что «Дрекслер тщательно рассмотрел ряд физических принципов, лежащих в основе аспектов наносистем “высокого уровня”, и действительно, достаточно подробно продумал некоторые вопросы». Однако другие критики утверждают, что в «Наносистемах» упущены важные химические детали, касающиеся «языка машин» молекулярной нанотехнологии на низком уровне. Они также утверждают, что значительная часть химии на низком уровне, представленной в «Наносистемах», требует дальнейшей существенной работы, и что, следовательно, высокоуровневые конструкции Дрекслера опираются на спекулятивные основания. Недавние исследования Фрейтаса и Меркла направлены на укрепление этих основ путем устранения пробелов в химии на низком уровне. Дрекслер полагает, что нам, возможно, придется дождаться улучшения нашей традиционной нанотехнологии, прежде чем решать эти проблемы: «Молекулярное производство станет результатом серии достижений в системах молекулярных машин, подобно тому, как первая высадка на Луну стала результатом серии достижений в области ракетных систем на жидком топливе. Мы сейчас находимся в положении, аналогичном положению Британского межпланетного общества 1930-х годов, которое описало, как многоступенчатые ракеты на жидком топливе могут достичь Луны, и привело ранние ракеты в качестве иллюстрации основного принципа». Однако Фрейтас и Меркл утверждают, что целенаправленные усилия по достижению механического синтеза алмазов (DMS) могут начаться уже сейчас с использованием существующих технологий и могут увенчаться успехом менее чем за десятилетие, если будет реализован их «прямой подход к DMS», а не более сложный путь разработки, направленный на внедрение менее эффективных неалмазоидных технологий молекулярного производства перед переходом к алмазоидам. Подводя итог аргументам против осуществимости: во-первых, критики утверждают, что основным препятствием для достижения молекулярной нанотехнологии является отсутствие эффективного способа создания машин в молекулярном/атомном масштабе, особенно при отсутствии четкого пути к самовоспроизводящемуся сборщику или нанофабрике на основе алмазоидов. Сторонники отвечают, что разрабатывается предварительный исследовательский путь, ведущий к нанофабрике на основе алмазоидов. В последнем докладе «Вопрос масштаба: трехлетний обзор Национальной нанотехнологической инициативы» «Дорожная карта технологий для продуктивных наносистем» призвана предложить дополнительные конструктивные идеи. Возможно, интересно задаться вопросом, можно ли в принципе изготовить большинство структур, соответствующих законам физики. Сторонники утверждают, что для реализации большей части концепции молекулярного производства не обязательно уметь строить «любую структуру, совместимую с законами природы». Скорее, необходимо уметь строить лишь достаточное (возможно, скромное) подмножество таких структур, как это происходит со всеми практическими производственными процессами, используемыми в мире сегодня, и даже в биологии. В любом случае, как однажды сказал Ричард Фейнман: «Научно говорить лишь о том, что более или менее вероятно, а не постоянно доказывать, что возможно или невозможно».

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."

Существующие работы по механическому синтезу алмазов

Существует растущий объем рецензируемых теоретических работ, посвященных синтезу алмаза путем механического удаления/добавления атомов водорода и осаждения атомов углерода (процесс, известный как механосинтез). Эта работа постепенно проникает в более широкое сообщество нанонауки и подвергается критическому анализу. Например, Пэн и др. (2006) (в рамках продолжающихся исследований Фрейтаса, Меркла и их коллег) сообщают, что наиболее изученный механосинтетический мотив (DCB6Ge) успешно размещает димер углерода C2 на поверхности алмаза C(110) как при 300 К (комнатная температура), так и при 80 К (температура жидкого азота), а кремниевый вариант (DCB6Si) также работает при 80 К, но не при 300 К. В это последнее исследование было инвестировано более 100 000 процессорных часов. Мотив DCB6, впервые описанный Мерклом и Фрейтасом на конференции Foresight в 2002 году, был первым полным инструментом, предложенным для механосинтеза алмаза, и остается единственным мотивом инструмента, успешная симуляция функционирования которого была проведена на полной 200-атомной поверхности алмаза. Инструменты, смоделированные в данной работе, предназначены для использования только в строго контролируемых условиях (например, в вакууме). Максимально допустимые пределы погрешностей при позиционировании и вращении инструмента приведены в работе Пэн и др. (2006). Инструменты должны быть расположены с высокой точностью, чтобы избежать неправильного соединения димера. Пэн и др. (2006) сообщают, что увеличение толщины рукоятки с 4 поддерживающих слоев атомов углерода над инструментом до 5 слоев снижает резонансную частоту всей структуры с 2,0 ТГц до 1,8 ТГц. Более того, вибрационные характеристики инструмента DCB6Ge, установленного на рукоятке из 384 атомов, и того же инструмента, установленного на аналогично ограниченной, но значительно большей рукоятке из 636 атомов ("поперечной перекладины"), практически идентичны в направлениях, отличных от направления поперечной перекладины. Дополнительные вычислительные исследования, моделирующие еще более крупные структуры рукоятки, приветствуются, однако способность точно позиционировать наконечники SPM с необходимой атомной точностью неоднократно демонстрировалась экспериментально при низких температурах и даже при комнатной температуре, что является базовым доказательством возможности реализации этой способности. Дальнейшие исследования, направленные на изучение дополнительных инструментов, потребуют трудоемких вычислений в области химической физики и сложных лабораторных работ. Для функционирующей нанофабрики потребуется разнообразие хорошо спроектированных инструментов для различных реакций и детальный анализ размещения атомов на более сложных поверхностях. Хотя это представляется сложной задачей, учитывая текущие ресурсы, будущим исследователям будет доступен широкий спектр инструментов: закон Мура предсказывает дальнейшее увеличение вычислительной мощности, технологии производства полупроводников продолжают приближаться к наномасштабу, а исследователи все более умело используют белки, рибосомы и ДНК для проведения новых химических реакций.

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.

Произведения художественной литературы

В книге Нила Стивенсона "Алмазный век" алмазы можно создавать непосредственно из атомов углерода. Различные устройства, от детекторов частиц пыли до гигантских алмазных дирижаблей, строятся атом за атомом, используя лишь атомы углерода, кислорода, азота и хлора. В романе Эндрю Солцмана "Завтра" ученый использует нанороботов для создания жидкости, которая, попадая в кровоток, делает человека почти неуязвимым, поскольку микроскопические машины мгновенно восстанавливают поврежденные ткани. В ролевой игре Splicers от Palladium Books человечество пало жертвой "наноботовской чумы", из-за которой любой предмет, сделанный из неблагородного металла, начинает изгибаться и менять форму (иногда превращаясь в робота) сразу после прикосновения человека. Затем этот предмет нападает на человека. Это вынудило человечество разрабатывать "биотехнологические" устройства в замену прежним металлическим. В телешоу "Тайный научный театр 3000" наниты (озвученные Кевином Мерфи, Полом Чаплином, Мэри Джо Пелл и Бриджит Джонс) – самовоспроизводящиеся, биоинженерные организмы, работающие на корабле, микроскопические существа, обитающие в компьютерных системах "Спутника любви". (Они похожи на существ из эпизода "Эволюция" сериала "Звездный путь: Следующее поколение", где "наниты" захватили "Энтерпрайз".) Наниты впервые появились в восьмом сезоне. Основываясь на концепции нанотехнологий, их комические deus ex machina действия включали в себя самые разные задачи: мгновенный ремонт и строительство, укладку причесок, представление нанитной версии цирка блох, ведение микроскопической войны и даже уничтожение планеты наблюдателей после расплывчатой просьбы Майка "разобраться с [небольшой] проблемой". Они также управляли микропивоварней. В "Звездных вратах: Атлантида" есть враг, состоящий из самособирающихся нанороботов, которые также превращают планету в серую слизь. В романе Майкла Крайтона "Прея" самовоспроизводящиеся наноботы создают автономные нано-роя с хищническим поведением. Главный герой должен остановить рой, прежде чем он превратится в чуму серой слизи. В фильмах "Мстители: Война бесконечности" и "Мстители: Финал" костюм Железного человека Тони Старка был создан с использованием нанотехнологий.

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.

Справочные работы

Основная техническая работа по этой теме – «Наносистемы: молекулярные машины, производство и вычисления», – углубленный анализ, основанный на физике, определенного класса потенциальных наномашин и молекулярных производственных систем, с обширным анализом их реализуемости и производительности. «Наносистемы» тесно основаны на докторской диссертации Дрекслера в MIT «Молекулярные машины и производство с приложениями к вычислениям». Обе работы также рассматривают пути развития технологий, начинающиеся с технологий сканирующего зонда и биомолекулярных технологий. Дрекслер и другие развивали идеи молекулярной нанотехнологии в нескольких других книгах. «Освобождая будущее: нанотехнологическая революция» – это легко читаемая книга, представляющая идеи молекулярной нанотехнологии в доступной форме. Другие известные работы в том же духе – «Наномедицина», тома I и IIA Роберта Фрейтаса, и «Кинематические самовоспроизводящиеся машины» Роберта Фрейтаса и Ральфа Меркла. «Нанотехнология: молекулярные предположения о глобальном изобилии» под редакцией Б.С. Крандэлла предлагает интересные идеи для применения МНТ.