Введение
Механосинтез – это термин, обозначающий гипотетические химические синтезы, в которых исход реакции определяется использованием механических ограничений для направления реакционноспособных молекул к конкретным молекулярным позициям. В настоящее время не существует небиологических химических синтезов, способных достичь этой цели. Определенное позиционирование атомов было достигнуто с помощью сканирующих туннельных микроскопов.
Введение
В обычном химическом синтезе или химиосинтезе реактивные молекулы сталкиваются друг с другом посредством случайного теплового движения в жидкости или паре. В гипотетическом процессе механического синтеза реактивные молекулы будут прикреплены к молекулярным механическим системам, а их столкновения будут результатом механических движений, приводящих их вместе в запланированных последовательностях, положениях и ориентациях. Предполагается, что механический синтез позволит избежать нежелательных реакций, разделяя потенциальные реагенты, и будет эффективно способствовать желаемым реакциям, удерживая реагенты вместе в оптимальных ориентациях на протяжении многих молекулярных колебательных циклов. В биологии рибосома служит примером программируемого механического синтетического устройства. Небиологическая форма механохимии была выполнена при криогенных температурах с использованием сканирующих туннельных микроскопов. На данный момент такие устройства обеспечивают наиболее близкий подход к созданию инструментов для молекулярной инженерии. Более широкое использование механического синтеза требует более продвинутых технологий для создания систем молекулярных машин, при этом системы, подобные рибосомам, являются привлекательной ранней целью. Значительная часть интереса к продвинутому механическому синтезу связана с его потенциальным применением в сборке устройств молекулярного масштаба. Подобные методы, по-видимому, имеют множество применений в медицине, авиации, добыче ресурсов, производстве и военном деле. Большинство теоретических исследований передовых машин такого рода сосредоточены на использовании углерода из-за большого количества прочных связей, которые он может образовывать, разнообразия химии, которую эти связи допускают, и полезности этих связей в медицинских и механических приложениях. Углерод образует алмаз, например, который, при его дешевой доступности, стал бы отличным материалом для многих машин. Было предложено, в частности, К. Эриком Дрекслером, что механический синтез будет фундаментальным для молекулярного производства на основе нанофабрик, способных создавать макроскопические объекты с атомной точностью. Потенциал этих возможностей оспаривался, в частности, лауреатом Нобелевской премии Ричардом Смолли (который предложил, а затем критиковал неработоспособный подход, основанный на "пальцах Смолли"). Нанофабрика Коллаборация, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Меркле в 2000 году, представляет собой целенаправленную и продолжающуюся работу, в которой участвуют 23 исследователя из 10 организаций и 4 стран, разрабатывающих практическую исследовательскую программу, специально направленную на позиционно-контролируемый механический синтез алмаза и разработку нанофабрик на основе алмазоидов. На практике, получение ровно одной молекулы в известном месте на кончике микроскопа возможно, но автоматизация этого процесса оказалась сложной задачей. Поскольку для практических продуктов требуется не менее нескольких сотен миллионов атомов, эта техника пока не доказала свою практичность в создании реального продукта. Цель одного из направлений исследований в области механосборки заключается в преодолении этих проблем путем калибровки и выбора подходящих реакций синтеза. Некоторые предлагают попытаться разработать специализированный, очень маленький (примерно 1000 нанометров в поперечнике) станок, который может создавать копии себя с помощью механохимических средств под управлением внешнего компьютера. В литературе такой инструмент называется сборщиком или молекулярным сборщиком. Как только сборщики будут созданы, геометрический рост (направление копий на создание копий) может быстро снизить их стоимость. Управление внешним компьютером должно позволить большим группам сборщиков строить крупные, полезные проекты с атомной точностью. Один из таких проектов будет сочетать молекулярные конвейерные ленты с постоянно установленными сборщиками для создания фабрики. Частично для решения этого и связанных с ним вопросов об опасности промышленных аварий и распространенных страхах перед неконтролируемыми событиями, эквивалентными катастрофам в Чернобыле и Бхопале, а также более отдаленной проблеме экофагии, серого и зеленого слизи (различные потенциальные катастрофы, возникающие из-за неконтролируемых репликаторов, которые могут быть созданы с использованием механического синтеза), Королевское общество Великобритании и Королевская инженерная академия Великобритании в 2003 году заказали исследование для решения этих вопросов и более широких социальных и экологических последствий, возглавляемое профессором машиностроения Энн Даулинг. Некоторые ожидали, что это исследование займет твердую позицию по этим проблемам и возможностям, и предложит путь развития общей теории так называемого механического синтеза. Однако отчет Королевского общества о нанотехнологиях вообще не касался молекулярного производства, за исключением его отклонения вместе с концепцией серого слизня. Современные технические предложения по нанофабрикам не включают самовоспроизводящихся нанороботов, и последние этические рекомендации запрещают разработку неконтролируемых возможностей самовоспроизведения в наномашинах.
Механосинтез алмазов
Существует растущий объем рецензируемых теоретических работ, посвященных синтезу алмаза путем механического удаления/добавления атомов водорода и осаждения атомов углерода (процесс, известный как механический синтез алмаза или DMS). Например, в статье 2006 года, являющейся частью продолжающихся исследований, Фрейтас, Меркль и их коллеги сообщают, что наиболее изученный мотив механического инструмента (DCB6Ge) успешно размещает димер углерода C2 на поверхности алмаза C(110) как при 300 K (комнатная температура), так и при 80 K (температура жидкого азота), а кремниевый вариант (DCB6Si) также работает при 80 K, но не при 300 K. Эти инструменты предназначены для использования только в тщательно контролируемых условиях (например, в вакууме). Максимально допустимые пределы погрешностей при позиционировании и вращении инструмента указаны в работе III — инструменты должны быть расположены с высокой точностью, чтобы избежать неправильного соединения димера. На это исследование было затрачено более 100 000 процессорных часов. Мотив инструмента DCB6Ge, впервые представленный на конференции Foresight в 2002 году, был первым полным инструментом, когда-либо предложенным для механического синтеза алмаза, и остается единственным мотивом инструмента, успешная симуляция функционирования которого была проведена на полной алмазной поверхности, состоящей из 200 атомов. Хотя в ранней публикации приводится прогнозируемая скорость размещения в 1 димер в секунду для этого инструмента, это ограничение было обусловлено медленной скоростью перезарядки инструмента с использованием неэффективного метода. Проанализирован полный набор из девяти молекулярных инструментов, изготовленных из водорода, углерода и германия, способных (a) синтезировать все инструменты в наборе, (b) перезаряжать все инструменты в наборе из соответствующих исходных молекул и (c) синтезировать широкий спектр жестких углеводородов (алмаз, графит, фуллерены и т. п.). Все необходимые реакции анализируются с использованием стандартных методов квантовой химии ab initio. Дальнейшие исследования, направленные на рассмотрение альтернативных инструментов, потребуют трудоемких вычислений и сложных лабораторных работ. В начале 2000-х годов типичная экспериментальная схема заключалась в прикреплении молекулы к кончику атомно-силового микроскопа, а затем использовании точных возможностей позиционирования микроскопа для вдавливания молекулы с кончика в другую на подложке. Поскольку углы и расстояния могут быть точно контролируемыми, а реакция происходит в вакууме, возможны новые химические соединения и структуры.
История
Техника механического перемещения отдельных атомов была предложена Эриком Дрекслером в его книге 1986 года «Двигатели творения». В 1989 году исследователи из Цюрихского исследовательского института IBM успешно выложили буквы «IBM» из атомов ксенона на криогенной медной поверхности, что существенно подтвердило данный подход. С тех пор ряд исследовательских проектов предприняли попытки использовать аналогичные методы для компактного хранения компьютерных данных. В последнее время эта техника стала применяться для изучения новых физико-химических явлений, иногда с использованием лазеров для возбуждения наконечников до определенных энергетических состояний или для исследования квантовой химии конкретных химических связей. В 1999 году была предложена экспериментально подтвержденная методология, известная как сканирование, ориентированное на элементы (FOS). Методология сканирования, ориентированного на элементы, позволяет точно контролировать положение зонда сканирующего зондового микроскопа (SPM) на атомной поверхности при комнатной температуре. Предлагаемая методология поддерживает полностью автоматическое управление одно- и многозондовыми приборами при решении задач механического синтеза и нанопроизводства снизу вверх. В 2003 году Оябу и др. сообщили о первом случае образования и разрыва ковалентных связей исключительно механическим путем, то есть о первой экспериментальной демонстрации истинного механического синтеза – хотя и с использованием атомов кремния, а не углерода. В 2005 году была подана первая патентная заявка на механический синтез алмазов. В 2008 году был предложен грант в размере 3,1 миллиона долларов США на финансирование разработки системы механического синтеза для подтверждения принципа. В 2013 году IBM создала короткометражный анимационный фильм «Мальчик и его атом». См. также молекулярную нанотехнологию – более общее описание возможных продуктов и обсуждение других методов сборки.