Una panoramica della nanotecnologia
Adattato da J.Storrs Hall da articoli di Ralph C. Merkle e K. Eric Drexler
INTRODUZIONE
La nanotecnologia è una tecnologia di produzione anticipata che offre un controllo completo ed economico della struttura della materia. Il termine è stato talvolta usato per riferirsi a qualsiasi tecnica in grado di funzionare su scala submicronica; Qui su sci.nanotech siamo interessati a quella che a volte viene chiamata nanotecnologia molecolare, che significa sostanzialmente "Un posto per ogni atomo e ogni atomo al suo posto". (vengono spesso applicati anche altri termini, come ingegneria molecolare, produzione molecolare, ecc.).
La produzione molecolare consentirà la costruzione di computer giga-op di dimensioni inferiori a un micron cubico; macchine per la riparazione cellulare; apparecchi per la produzione e il riciclaggio personali; e altro ancora.
NANOTECNOLOGIE
In linea di massima, la tesi centrale della nanotecnologia è che è possibile costruire praticamente qualsiasi struttura chimicamente stabile che può essere specificata. Questa possibilità fu avanzata per la prima volta da Richard Feynman nel 1959 [4] quando disse: "I principi della fisica, per quanto posso vedere, non parlano contro la possibilità di manovrare le cose atomo per atomo". (Feynman ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 1965).
Questo concetto sta ricevendo una crescente attenzione nella comunità di ricerca. Ci sono state due conferenze internazionali direttamente sulla nanotecnologia molecolare [30,31], nonché un'ampia gamma di conferenze su argomenti correlati. Science [23, page 26] ha dichiarato: "La capacità di progettare e produrre dispositivi che sono solo decine o centinaia di atomi attraverso promesse ricche ricompense in elettronica, catalisi e materiali. Le ricompense scientifiche dovrebbero essere altrettanto grandi, in quanto i ricercatori si avvicinano al massimo livello di controllo - assemblare la materia un atomo alla volta ". "Entro il decennio, [John] Foster [presso IBM Almaden] o qualche altro scienziato probabilmente impareranno a mettere insieme atomi e molecole uno alla volta usando lo STM [Scanning Tunneling Microscope]."
Eigler e Schweizer [25] di IBM hanno riferito di "... l'uso dell'STM a basse temperature (4 K) per posizionare singoli atomi di xeno su una superficie di nichel a cristallo singolo con precisione atomica. Questa capacità ci ha permesso di fabbricare rudimentale strutture di nostra progettazione, atomo per atomo. I processi che descriviamo sono in linea di principio applicabili anche alle molecole ... "
ASSEMBLATORI
Drexler [1,8,11,19,32] ha proposto l '"assemblatore", un dispositivo avente un braccio robotico submicroscopico sotto il controllo del computer. Sarà in grado di trattenere e posizionare composti reattivi al fine di controllare la posizione precisa in cui si verificano le reazioni chimiche. Questo approccio generale dovrebbe consentire la costruzione di grandi oggetti atomicamente precisi mediante una sequenza di reazioni chimiche controllate con precisione, costruendo oggetti molecola per molecola. Se progettati per farlo, gli assemblatori saranno in grado di creare copie di se stessi, ovvero replicare.
Poiché saranno in grado di copiare se stessi, gli assemblatori saranno economici. Possiamo vederlo ricordando che molti altri prodotti di macchine molecolari - legna da ardere, fieno, patate - costano molto poco. Lavorando in grandi gruppi, assemblatori e nanomacchine più specializzate saranno in grado di costruire oggetti a basso costo. Assicurando che ciascun atomo sia posizionato correttamente, fabbricherà prodotti di alta qualità e affidabilità. Anche le molecole rimaste sarebbero soggette a questo rigoroso controllo, rendendo il processo di produzione estremamente pulito.
Drexler [1,8,11,19,32] ha proposto l '"assemblatore", un dispositivo avente un braccio robotico submicroscopico sotto il controllo del computer. Sarà in grado di trattenere e posizionare composti reattivi al fine di controllare la posizione precisa in cui si verificano le reazioni chimiche. Questo approccio generale dovrebbe consentire la costruzione di grandi oggetti atomicamente precisi mediante una sequenza di reazioni chimiche controllate con precisione, costruendo oggetti molecola per molecola. Se progettati per farlo, gli assemblatori saranno in grado di creare copie di se stessi, ovvero replicare.
Poiché saranno in grado di copiare se stessi, gli assemblatori saranno economici. Possiamo vederlo ricordando che molti altri prodotti di macchine molecolari - legna da ardere, fieno, patate - costano molto poco. Lavorando in grandi gruppi, assemblatori e nanomacchine più specializzate saranno in grado di costruire oggetti a basso costo. Assicurando che ciascun atomo sia posizionato correttamente, fabbricherà prodotti di alta qualità e affidabilità. Anche le molecole rimaste sarebbero soggette a questo rigoroso controllo, rendendo il processo di produzione estremamente pulito.
I ribosomi
La plausibilità di questo approccio può essere illustrata dal ribosoma. I ribosomi producono tutte le proteine utilizzate in tutti gli esseri viventi su questo pianeta. Un ribosoma tipico è relativamente piccolo (alcune migliaia di nanometri cubi) ed è in grado di costruire quasi tutte le proteine mettendo insieme amminoacidi (i mattoni delle proteine) in una precisa sequenza lineare. Per fare questo, il ribosoma ha un mezzo per afferrare un amminoacido specifico (più precisamente, ha un mezzo per afferrare selettivamente un RNA di trasferimento specifico, che a sua volta è legato chimicamente da un enzima specifico a un amminoacido specifico), di afferrare il polipeptide in crescita e di provocare la reazione dell'amminoacido specifico con l'aggiunta alla fine del polipeptide [9].
Le istruzioni che il ribosoma segue nella costruzione di una proteina sono fornite dall'mRNA (RNA messaggero). Questo è un polimero formato dalle quattro basi di adenina, citosina, guanina e uracile. Una sequenza da alcune centinaia a poche migliaia di tali codici di base per una specifica proteina. Il ribosoma "legge" questo "nastro di controllo" in sequenza e agisce nelle direzioni fornite.
Assemblatori
In modo analogo, un assemblatore costruirà una struttura molecolare arbitraria seguendo una sequenza di istruzioni. L'assemblatore, tuttavia, fornirà controllo posizionale tridimensionale e completo orientamento sul componente molecolare (analogo al singolo aminoacido) che viene aggiunto a una struttura molecolare complessa in crescita (analoga al polipeptide in crescita). Inoltre, l'assemblatore sarà in grado di formare uno qualsiasi di diversi tipi di legami chimici, non solo il singolo tipo (legame peptidico) che produce il ribosoma.
I calcoli indicano che un assemblatore non deve essere intrinsecamente molto grande. Gli enzimi "tipicamente" pesano circa 10 ^ 5 amu (unità di massa atomica). mentre il ribosoma stesso è di circa 3 x 10 ^ 6 amu [9]. L'assemblatore più piccolo potrebbe essere un fattore dieci o più grande di un ribosoma. Le attuali idee di progettazione per un assemblatore sono in qualche modo più grandi di questa: "bracci" cilindrici di circa 100 nanometri di lunghezza e 30 nanometri di diametro, giunti rotanti per consentire il posizionamento arbitrario della punta del braccio e un'accuratezza della posizione nel caso peggiore in punta forse da 0,1 a 0,2 nanometri, anche in presenza di rumore termico. Anche un solido blocco di diamante grande come un braccio pesa solo sedici milioni di amu, quindi possiamo concludere con sicurezza che un braccio cavo di tali dimensioni peserebbe meno. Sei di queste armi peserebbero meno di 10^ 8 amu.
Computer molecolari
L'assemblatore richiede una sequenza dettagliata di segnali di controllo, proprio come il ribosoma richiede mRNA per controllare le sue azioni. Tali segnali di controllo dettagliati possono essere forniti da un computer. Un progetto fattibile per un computer molecolare è stato presentato da Drexler [2,11]. Questo design è di natura meccanica e si basa su aste scorrevoli che interagiscono bloccandosi o sbloccandosi a vicenda in corrispondenza di "blocchi". Questo design ha una dimensione di circa 5 nanometri cubi per "blocco" (approssimativamente equivalente a una singola porta logica). Quadruplicando questa dimensione in 20 nanometri cubi (per consentire alimentazione, interfacce e simili) e supponendo che siano necessari almeno 10 ^ 4 "blocchi" per fornire risultati di controllo minimi in un volume di 2 x 10 ^ 5 nanometri cubi ( .0002 micron cubici) per l'elemento computazionale. (Questo numero di porte è sufficiente per costruire un semplice computer a 4 o 8 bit, ad esempio un 6502).
Un assemblatore potrebbe avere un kilobyte di RAM ad alta velocità (basata su logica rod) (simile alla quantità di RAM utilizzata in un moderno computer a un chip) e 100 kilobyte di memoria "nastro" più lenta ma più densa - questa memoria nastro avere una massa di 10 ^ 8 amu o meno (circa 10 atomi per bit - vedi sotto). Verrà utilizzata una massa aggiuntiva per le comunicazioni (invio e ricezione di segnali da altri computer) e l'alimentazione. Inoltre, ci sarà probabilmente un "toolkit" di punte intercambiabili che possono essere posizionate alle estremità delle braccia dell'assemblatore. Quando tutto viene sommato, un piccolo assemblatore, con bracci, computer, "toolkit", ecc. Dovrebbe pesare meno di 10^ 9 amu.
Escherichia coli (un batterio comune) pesa circa 10^ 12 amu [9, pagina 123]. Pertanto, un assemblatore dovrebbe essere molto più grande di un ribosoma, ma molto più piccolo di un batterio.
Sistemi autoreplicanti
È anche interessante confrontare l'architettura di Drexler per un assemblatore con l'architettura Von Neumann per un dispositivo autoreplicante. L '"automa di costruzione universale" di Von Neumann [21] aveva sia una macchina di Turing universale per controllare le sue funzioni sia un "braccio di costruzione" per costruire l' "automa secondario". Il braccio di costruzione può essere posizionato su un piano bidimensionale e la "testa" all'estremità del braccio di costruzione viene utilizzata per costruire la struttura desiderata. Mentre la costruzione di Von Neumann era teorica (esistente in un mondo di automi cellulari bidimensionali), incorporava ancora molti degli elementi critici che ora compaiono nell'assemblatore.
Dovremmo essere preoccupati per i replicatori in fuga? Sarebbe difficile costruire una macchina con la meravigliosa adattabilità degli organismi viventi. I replicatori più facili da costruire saranno macchine non flessibili, come automobili o robot industriali, e richiederanno carburanti e materie prime speciali, equivalenti di fluido idraulico e benzina. Costruire un replicatore in fuga che potrebbe operare in natura sarebbe come costruire un'auto che potrebbe andare fuori strada e alimentarsi dalla linfa degli alberi. Con abbastanza lavoro, questo dovrebbe essere possibile, ma difficilmente accadrà per caso. Senza replica, gli incidenti sarebbero come quelli dell'industria oggi: localmente dannosi, ma non catastrofici per la biosfera. Sembrano più probabili problemi catastrofici attraverso un uso improprio deliberato, come l'uso della nanotecnologia per l'aggressione militare.
È anche interessante confrontare l'architettura di Drexler per un assemblatore con l'architettura Von Neumann per un dispositivo autoreplicante. L '"automa di costruzione universale" di Von Neumann [21] aveva sia una macchina di Turing universale per controllare le sue funzioni sia un "braccio di costruzione" per costruire l' "automa secondario". Il braccio di costruzione può essere posizionato su un piano bidimensionale e la "testa" all'estremità del braccio di costruzione viene utilizzata per costruire la struttura desiderata. Mentre la costruzione di Von Neumann era teorica (esistente in un mondo di automi cellulari bidimensionali), incorporava ancora molti degli elementi critici che ora compaiono nell'assemblatore.
Dovremmo essere preoccupati per i replicatori in fuga? Sarebbe difficile costruire una macchina con la meravigliosa adattabilità degli organismi viventi. I replicatori più facili da costruire saranno macchine non flessibili, come automobili o robot industriali, e richiederanno carburanti e materie prime speciali, equivalenti di fluido idraulico e benzina. Costruire un replicatore in fuga che potrebbe operare in natura sarebbe come costruire un'auto che potrebbe andare fuori strada e alimentarsi dalla linfa degli alberi. Con abbastanza lavoro, questo dovrebbe essere possibile, ma difficilmente accadrà per caso. Senza replica, gli incidenti sarebbero come quelli dell'industria oggi: localmente dannosi, ma non catastrofici per la biosfera. Sembrano più probabili problemi catastrofici attraverso un uso improprio deliberato, come l'uso della nanotecnologia per l'aggressione militare.
Chimica Posizionale
I chimici hanno avuto un notevole successo nel sintetizzare una vasta gamma di composti con precisione atomica. I loro successi, tuttavia, sono generalmente di piccole dimensioni (con la notevole eccezione di vari polimeri). Pertanto, sappiamo che una vasta gamma di strutture atomicamente precise con forse alcune centinaia di atomi in esse sono abbastanza fattibili. Le più grandi strutture atomicamente precise con forme tridimensionali complesse possono essere visualizzate come una sequenza connessa di piccole strutture atomicamente precise. Mentre i chimici hanno la capacità di scolpire con precisione piccole raccolte di atomi, al momento non è possibile estendere questa capacità in modo generale a strutture di dimensioni maggiori. Una struttura ovvia di notevole interesse scientifico ed economico è il computer. La capacità di produrre un computer da elementi logici atomicamente precisi di dimensioni molecolari e di posizionare tali elementi logici in un volume tridimensionale con un modello di interconnessione altamente preciso e intricato avrebbe conseguenze rivoluzionarie per l'industria dei computer.
Una grande struttura atomicamente precisa, tuttavia, può essere vista semplicemente come una raccolta di piccoli oggetti atomicamente precisi che vengono poi collegati insieme. Per costruire una gamma veramente ampia di grandi oggetti atomicamente precisi è necessaria la capacità di creare legami altamente specifici posizionalmente controllati. Una varietà di tecniche sintetiche altamente flessibili sono state considerate in [32]. Descriveremo due di questi metodi qui per dare al lettore un'idea del tipo di metodi che alla fine saranno fattibili.
Partiamo dal presupposto che il controllo posizionale è disponibile e che tutte le reazioni avvengono nel vuoto. L'uso di un vuoto duro consente di utilizzare strutture intermedie altamente reattive, ad esempio una varietà di radicali con uno o più legami penzolanti. Poiché gli intermedi sono nel vuoto e perché la loro posizione è controllata (al contrario delle soluzioni, dove la posizione e l'orientamento di una molecola sono in gran parte casuali), tali radicali non reagiranno con la cosa sbagliata per la ragione molto semplice che lo faranno non entrare in contatto con la cosa sbagliata.
I chimici hanno avuto un notevole successo nel sintetizzare una vasta gamma di composti con precisione atomica. I loro successi, tuttavia, sono generalmente di piccole dimensioni (con la notevole eccezione di vari polimeri). Pertanto, sappiamo che una vasta gamma di strutture atomicamente precise con forse alcune centinaia di atomi in esse sono abbastanza fattibili. Le più grandi strutture atomicamente precise con forme tridimensionali complesse possono essere visualizzate come una sequenza connessa di piccole strutture atomicamente precise. Mentre i chimici hanno la capacità di scolpire con precisione piccole raccolte di atomi, al momento non è possibile estendere questa capacità in modo generale a strutture di dimensioni maggiori. Una struttura ovvia di notevole interesse scientifico ed economico è il computer. La capacità di produrre un computer da elementi logici atomicamente precisi di dimensioni molecolari e di posizionare tali elementi logici in un volume tridimensionale con un modello di interconnessione altamente preciso e intricato avrebbe conseguenze rivoluzionarie per l'industria dei computer.
Una grande struttura atomicamente precisa, tuttavia, può essere vista semplicemente come una raccolta di piccoli oggetti atomicamente precisi che vengono poi collegati insieme. Per costruire una gamma veramente ampia di grandi oggetti atomicamente precisi è necessaria la capacità di creare legami altamente specifici posizionalmente controllati. Una varietà di tecniche sintetiche altamente flessibili sono state considerate in [32]. Descriveremo due di questi metodi qui per dare al lettore un'idea del tipo di metodi che alla fine saranno fattibili.
Partiamo dal presupposto che il controllo posizionale è disponibile e che tutte le reazioni avvengono nel vuoto. L'uso di un vuoto duro consente di utilizzare strutture intermedie altamente reattive, ad esempio una varietà di radicali con uno o più legami penzolanti. Poiché gli intermedi sono nel vuoto e perché la loro posizione è controllata (al contrario delle soluzioni, dove la posizione e l'orientamento di una molecola sono in gran parte casuali), tali radicali non reagiranno con la cosa sbagliata per la ragione molto semplice che lo faranno non entrare in contatto con la cosa sbagliata.
La normale chimica basata sulla soluzione offre una gamma più piccola di possibilità sintetiche controllate. Ad esempio, i composti altamente reattivi in soluzione reagiranno prontamente con la soluzione. Inoltre, poiché non viene fornito il controllo posizionale, i composti si scontrano casualmente con altri composti. Qualsiasi composto reattivo si scontrerà in modo casuale e reagirà in modo casuale con qualsiasi cosa disponibile. La chimica basata sulla soluzione richiede una selezione estremamente accurata di composti sufficientemente reattivi per partecipare alla reazione desiderata, ma sufficientemente non reattivi da non partecipare accidentalmente a una reazione indesiderata. La sintesi in queste condizioni è un po 'come mettere le parti di una radio in una scatola, scuotere ed estrarre una radio assemblata. La capacità dei chimici di sintetizzare ciò che vogliono in queste condizioni è sorprendente.
Gran parte dell'attuale sintesi chimica basata sulla soluzione è dedicata alla prevenzione di reazioni indesiderate. Con la sintesi basata su assemblatore, tale prevenzione è un sottoprodotto virtualmente libero del controllo posizionale.
Per illustrare la sintesi posizionale nel vuoto in modo un po 'più concreto, supponiamo di voler unire due composti, A e B. Come primo passo, potremmo utilizzare il controllo posizionale per astrarre selettivamente un atomo di idrogeno specifico dal composto A. Per fare questo, noi impiegherebbe un radicale che aveva due regioni spazialmente distinte: una regione avrebbe un'alta affinità per l'idrogeno mentre l'altra regione potrebbe essere incorporata in una struttura "a punta" più grande che sarebbe soggetta al controllo di posizione. Un semplice esempio sarebbe il radicale 1-propinile, che consiste di tre atomi di carbonio co-lineari e tre atomi di idrogeno legati al carbonio sp3 all'estremità "base". Il carbonio radicale all'estremità radicale è triplicamente legato al carbonio medio, che a sua volta è legato singolarmente al carbonio base. In uno strumento di astrazione reale, il carbonio di base verrebbe legato ad altri atomi di carbonio in una struttura diamondoide più grande che fornisce controllo posizionale, e la punta potrebbe essere ulteriormente stabilizzata da un "collare" circostante di atomi non reattivi attaccato vicino alla base che impedirebbe laterale movimenti della punta reattiva.
Gran parte dell'attuale sintesi chimica basata sulla soluzione è dedicata alla prevenzione di reazioni indesiderate. Con la sintesi basata su assemblatore, tale prevenzione è un sottoprodotto virtualmente libero del controllo posizionale.
Per illustrare la sintesi posizionale nel vuoto in modo un po 'più concreto, supponiamo di voler unire due composti, A e B. Come primo passo, potremmo utilizzare il controllo posizionale per astrarre selettivamente un atomo di idrogeno specifico dal composto A. Per fare questo, noi impiegherebbe un radicale che aveva due regioni spazialmente distinte: una regione avrebbe un'alta affinità per l'idrogeno mentre l'altra regione potrebbe essere incorporata in una struttura "a punta" più grande che sarebbe soggetta al controllo di posizione. Un semplice esempio sarebbe il radicale 1-propinile, che consiste di tre atomi di carbonio co-lineari e tre atomi di idrogeno legati al carbonio sp3 all'estremità "base". Il carbonio radicale all'estremità radicale è triplicamente legato al carbonio medio, che a sua volta è legato singolarmente al carbonio base. In uno strumento di astrazione reale, il carbonio di base verrebbe legato ad altri atomi di carbonio in una struttura diamondoide più grande che fornisce controllo posizionale, e la punta potrebbe essere ulteriormente stabilizzata da un "collare" circostante di atomi non reattivi attaccato vicino alla base che impedirebbe laterale movimenti della punta reattiva.
L'affinità di questa struttura per l'idrogeno è piuttosto elevata. Il propyne (la stessa struttura ma con un atomo di idrogeno legato al carbonio "radicale") ha un'energia di dissociazione del legame idrogeno-carbonio in prossimità di 132 chilocalorie per mole. Di conseguenza, un atomo di idrogeno preferirà essere legato allo strumento di astrazione dell'idrogeno 1-propinile piuttosto che essere legato a quasi tutte le altre strutture. Posizionando lo strumento di astrazione dell'idrogeno su uno specifico atomo di idrogeno sul composto A, possiamo eseguire una reazione di astrazione dell'idrogeno specifica per sito. Ciò richiede un'accuratezza posizionale di circa una lunghezza del legame (per impedire l'astrazione di un idrogeno adiacente). Analisi chimica quantistica di questa reazione di Musgrave et. al. [41] mostra che l'energia di attivazione per questa reazione è bassa e che per l'estrazione dell'idrogeno dalla superficie del diamante idrogenato (111) (modellato dall'isobutano) la barriera è molto probabilmente zero.
Avendo estratto una volta un atomo di idrogeno specifico dal composto A, possiamo ripetere il processo per il composto B. Ora possiamo unire il composto A al composto B posizionando i due composti in modo che i due legami penzolanti siano adiacenti l'uno all'altro e permettendo loro di legame.
Questo illustra una reazione usando un singolo radicale. Con il controllo posizionale, potremmo anche usare due radicali contemporaneamente per raggiungere un obiettivo specifico. Supponiamo, ad esempio, che due atomi A1 e A2 che fanno parte di alcune molecole più grandi siano legati l'uno all'altro. Se dovessimo posizionare i due radicali X1 e X2 adiacenti ad A1 e A2, rispettivamente, una struttura di legame di energia libera molto più bassa sarebbe quella in cui il legame A1-A2 era rotto e due nuovi legami A1-X1 e A2 -X2 sono stati formati. Poiché questa reazione comporta la rottura di un legame e la creazione di due legami (vale a dire, il prodotto di reazione non è un radicale ed è chimicamente stabile) la natura esatta dei radicali non è critica. Rompere un legame per formare due legami è una reazione preferita per una vasta gamma di casi. Pertanto, il controllo posizionale di due radicali può essere utilizzato per rompere qualsiasi di una vasta gamma di legami.
Avendo estratto una volta un atomo di idrogeno specifico dal composto A, possiamo ripetere il processo per il composto B. Ora possiamo unire il composto A al composto B posizionando i due composti in modo che i due legami penzolanti siano adiacenti l'uno all'altro e permettendo loro di legame.
Questo illustra una reazione usando un singolo radicale. Con il controllo posizionale, potremmo anche usare due radicali contemporaneamente per raggiungere un obiettivo specifico. Supponiamo, ad esempio, che due atomi A1 e A2 che fanno parte di alcune molecole più grandi siano legati l'uno all'altro. Se dovessimo posizionare i due radicali X1 e X2 adiacenti ad A1 e A2, rispettivamente, una struttura di legame di energia libera molto più bassa sarebbe quella in cui il legame A1-A2 era rotto e due nuovi legami A1-X1 e A2 -X2 sono stati formati. Poiché questa reazione comporta la rottura di un legame e la creazione di due legami (vale a dire, il prodotto di reazione non è un radicale ed è chimicamente stabile) la natura esatta dei radicali non è critica. Rompere un legame per formare due legami è una reazione preferita per una vasta gamma di casi. Pertanto, il controllo posizionale di due radicali può essere utilizzato per rompere qualsiasi di una vasta gamma di legami.
Una serie di altre reazioni che coinvolgono una varietà di composti intermedi reattivi (i carbeni sono tra i più interessanti) sono proposti in [32], insieme ai risultati dei calcoli quantistici semi-empirici e ab initio e alle prove sperimentali disponibili.
Un altro principio generale che può essere impiegato con la sintesi posizionale è l'uso controllato della forza. L'energia di attivazione, normalmente fornita dall'energia termica nella chimica convenzionale, può anche essere fornita con mezzi meccanici. Pressioni di 1,7 megabar sono state raggiunte sperimentalmente in sistemi macroscopici [43]. A livello molecolare tale pressione corrisponde a forze che rappresentano una grande frazione della forza richiesta per rompere un legame chimico. Una morsa molecolare in materiale duro simile al diamante con una cavità progettata con la stessa precisione del sito reattivo di un enzima può fornire energia di attivazione mediante l'applicazione estremamente precisa della forza, provocando così una reazione altamente specifica tra due composti.
Per ottenere la bassa energia di attivazione necessaria nelle reazioni che coinvolgono i radicali richiede poca forza, consentendo a una gamma più ampia di reazioni di essere causate da dispositivi più semplici (ad esempio, dispositivi in grado di generare solo una piccola forza). Ulteriori analisi sono fornite in [32].
Feynman ha dichiarato:
Un altro principio generale che può essere impiegato con la sintesi posizionale è l'uso controllato della forza. L'energia di attivazione, normalmente fornita dall'energia termica nella chimica convenzionale, può anche essere fornita con mezzi meccanici. Pressioni di 1,7 megabar sono state raggiunte sperimentalmente in sistemi macroscopici [43]. A livello molecolare tale pressione corrisponde a forze che rappresentano una grande frazione della forza richiesta per rompere un legame chimico. Una morsa molecolare in materiale duro simile al diamante con una cavità progettata con la stessa precisione del sito reattivo di un enzima può fornire energia di attivazione mediante l'applicazione estremamente precisa della forza, provocando così una reazione altamente specifica tra due composti.
Per ottenere la bassa energia di attivazione necessaria nelle reazioni che coinvolgono i radicali richiede poca forza, consentendo a una gamma più ampia di reazioni di essere causate da dispositivi più semplici (ad esempio, dispositivi in grado di generare solo una piccola forza). Ulteriori analisi sono fornite in [32].
Feynman ha dichiarato:
"I problemi della chimica e della biologia possono essere notevolmente aiutati se la nostra capacità di vedere ciò che stiamo facendo e di fare cose a livello atomico è in definitiva sviluppata - uno sviluppo che penso non possa essere evitato".
Drexler ha fornito l'analisi sostanziale richiesta prima che questo obiettivo possa essere trasformato in realtà. Ci stiamo avvicinando a un'era in cui saremo in grado di costruire praticamente qualsiasi struttura che sia specificata nei dettagli atomici e che sia coerente con le leggi della chimica e della fisica. Ciò ha implicazioni sostanziali per le future tecnologie e capacità mediche.
Costo
Una conseguenza dell'esistenza degli assemblatori è che sono economici. Poiché un assemblatore può essere programmato per costruire quasi qualsiasi struttura, in particolare può essere programmato per costruire un altro assemblatore. Pertanto, gli assemblatori auto-riproducenti dovrebbero essere fattibili e di conseguenza i costi di produzione degli assemblatori sarebbero principalmente i costi delle materie prime e dell'energia richiesta nella loro costruzione. Alla fine (dopo l'ammortamento di costi di sviluppo possibilmente piuttosto elevati), il prezzo degli assemblatori (e degli oggetti che costruiscono) non dovrebbe essere superiore al prezzo di altre strutture complesse realizzate da sistemi autoreplicanti. Le patate - che hanno una complessità progettuale sbalorditiva che coinvolge decine di migliaia di geni diversi e proteine diverse dirette da molti megabit di informazioni genetiche - costano ben meno di un dollaro per libbra.
Una conseguenza dell'esistenza degli assemblatori è che sono economici. Poiché un assemblatore può essere programmato per costruire quasi qualsiasi struttura, in particolare può essere programmato per costruire un altro assemblatore. Pertanto, gli assemblatori auto-riproducenti dovrebbero essere fattibili e di conseguenza i costi di produzione degli assemblatori sarebbero principalmente i costi delle materie prime e dell'energia richiesta nella loro costruzione. Alla fine (dopo l'ammortamento di costi di sviluppo possibilmente piuttosto elevati), il prezzo degli assemblatori (e degli oggetti che costruiscono) non dovrebbe essere superiore al prezzo di altre strutture complesse realizzate da sistemi autoreplicanti. Le patate - che hanno una complessità progettuale sbalorditiva che coinvolge decine di migliaia di geni diversi e proteine diverse dirette da molti megabit di informazioni genetiche - costano ben meno di un dollaro per libbra.
PERCORSI ALLA NANOTECNOLOGIA
I tre percorsi di progettazione delle proteine (biotecnologia), chimica biomimetica e posizionamento atomico fanno parte di un'ampia strategia dal basso verso l'alto: lavorare a livello molecolare per aumentare la nostra capacità di controllare la materia. Gli sforzi tradizionali di miniaturizzazione basati sulla tecnologia microelettronica hanno raggiunto la scala dei submicroni; questi possono essere caratterizzati come la strategia top down. La strategia dal basso, tuttavia, sembra più promettente. INFORMAZIONE
Ulteriori informazioni sulla nanotecnologia sono disponibili in questi libri (tutti di Eric Drexler (e vari coautori)):
I tre percorsi di progettazione delle proteine (biotecnologia), chimica biomimetica e posizionamento atomico fanno parte di un'ampia strategia dal basso verso l'alto: lavorare a livello molecolare per aumentare la nostra capacità di controllare la materia. Gli sforzi tradizionali di miniaturizzazione basati sulla tecnologia microelettronica hanno raggiunto la scala dei submicroni; questi possono essere caratterizzati come la strategia top down. La strategia dal basso, tuttavia, sembra più promettente. INFORMAZIONE
Ulteriori informazioni sulla nanotecnologia sono disponibili in questi libri (tutti di Eric Drexler (e vari coautori)):
Engines of Creation (Anchor, 1986) ISBN: 0-385-19972-2
Questo libro era la definizione della carta originale di sci.nanotech. Scritto in modo popolare, introduce gli assemblatori e discute le varie implicazioni sociali e tecniche che la nanotecnologia potrebbe avere.
Unbounding the Future (Morrow, 1991) 0-688-09124-5
Essenzialmente un aggiornamento di motori, con una migliore descrizione di basso livello di come le nanomacchine potrebbero funzionare e meno speculazioni su viaggi nello spazio, crionica, ecc.
Nanosystems (Wiley, 1992) 0-471-57518-6
Questo è il libro tecnico nato dalla tesi di dottorato di Drexler. È un vero tour de force che fornisce una base teorica sostanziale per le idee di nanotecnologie.
Il Foresight Institute pubblica sia su questioni tecniche che non tecniche in nanotecnologia. Ad esempio, gli studenti possono scrivere per il loro briefing gratuito n. 1, "Studiare le nanotecnologie". Le principali pubblicazioni del Foresight Institute sono la newsletter di aggiornamento e la serie di saggi di sfondo. La newsletter di aggiornamento include sia discussioni sulle politiche che una colonna tecnica che consente ai lettori di trovare materiale di interesse nella recente letteratura scientifica. Queste pubblicazioni sono disponibili sulla pagina Web di Foresight.
indirizzo email: foresight@cup.portal.com
K. Eric Drexler
Spesso descritto come "il padre fondatore della nanotecnologia", Eric Drexler ha introdotto il concetto nel suo articolo fondamentale del 1981 negli Atti della National Academy of Sciences, che ha stabilito i principi fondamentali dell'ingegneria molecolare e delineato percorsi di sviluppo verso le nanotecnologie avanzate. Nel suo libro del 1986, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology , ha presentato un vasto pubblico a un obiettivo tecnologico fondamentale: usare macchine che lavorano su scala molecolare per strutturare la materia dal basso verso l'alto. La ricerca di Drexler in questo campo è stata la base per numerosi articoli di riviste e un'analisi completa e basata sulla fisica nei nanosistemi: macchinari molecolari, produzione e calcolo . Nelle sue pubblicazioni e lezioni, il dott. Drexler descrive l'implementazione e le applicazioni delle nanotecnologie avanzate e mostra come possono essere utilizzate per risolvere, non semplicemente ritardare, problemi su larga scala come il riscaldamento globale.
RIFERIMENTI
[Non tutti questi sono citati nel testo, ma sono comunque interessanti.]
1. "Engines of Creation" di K. Eric Drexler, Anchor Press, 1986.
2. "Nanotecnologia: in cui i computer molecolari controllano piccoli sottomarini circolatori", di A. K. Dewdney, Scientific American, gennaio 1988, pagine da 100 a 103.
3. "Aggiornamento previsionale", una pubblicazione del Foresight Institute, Box 61058, Palo Alto, CA 94306.
4. "C'è un sacco di spazio in fondo", un discorso di Richard Feynman (assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1965) in una riunione annuale dell'American Physical Society tenutasi il 29 dicembre 1959. Ristampato in "Miniaturization", edito da HD Gilbert (Reinhold, New York, 1961) pagine 282-296.
5. "Scanning Tunneling Microscopy and Atomic Force Microscopy: Application to Biology and Technology" di P. K. Hansma, V. B. Elings, O. Marti e C. E. Bracker. Science, 14 ottobre 1988, pagina 209-216.
6. "Manipolazione molecolare mediante microscopio a tunnel" di J. S. Foster, J. E. Frommer e P. C. Arnett. Natura, vol. 331, 28 gennaio 1988, pagine 324-326.
7. "I limiti fisici fondamentali del calcolo" di Charles H. Bennet e Rolf Landauer, Scientific American Vol. 253, luglio 1985, pagine 48-56.
8. "Ingegneria molecolare: un approccio allo sviluppo delle capacità generali di manipolazione molecolare", di K. Eric Drexler, Atti della National Academy of Sciences (USA), Vol 78, pp 5275-78, 1981.
9. "Molecular Biology of the Gene", quarta edizione, di James D. Watson, Nancy H. Hopkins, Jeffrey W. Roberts, Joan Argetsinger Steitz e Alan M. Weiner. Benjamin Cummings, 1987. Ora può essere acquistato come un unico grande volume.
10. "Piccolo robot chirurgico in fase di sviluppo", San Jose Mercury News, 18 febbraio 1989, pagina 26A
[Non tutti questi sono citati nel testo, ma sono comunque interessanti.]
1. "Engines of Creation" di K. Eric Drexler, Anchor Press, 1986.
2. "Nanotecnologia: in cui i computer molecolari controllano piccoli sottomarini circolatori", di A. K. Dewdney, Scientific American, gennaio 1988, pagine da 100 a 103.
3. "Aggiornamento previsionale", una pubblicazione del Foresight Institute, Box 61058, Palo Alto, CA 94306.
4. "C'è un sacco di spazio in fondo", un discorso di Richard Feynman (assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1965) in una riunione annuale dell'American Physical Society tenutasi il 29 dicembre 1959. Ristampato in "Miniaturization", edito da HD Gilbert (Reinhold, New York, 1961) pagine 282-296.
5. "Scanning Tunneling Microscopy and Atomic Force Microscopy: Application to Biology and Technology" di P. K. Hansma, V. B. Elings, O. Marti e C. E. Bracker. Science, 14 ottobre 1988, pagina 209-216.
6. "Manipolazione molecolare mediante microscopio a tunnel" di J. S. Foster, J. E. Frommer e P. C. Arnett. Natura, vol. 331, 28 gennaio 1988, pagine 324-326.
7. "I limiti fisici fondamentali del calcolo" di Charles H. Bennet e Rolf Landauer, Scientific American Vol. 253, luglio 1985, pagine 48-56.
8. "Ingegneria molecolare: un approccio allo sviluppo delle capacità generali di manipolazione molecolare", di K. Eric Drexler, Atti della National Academy of Sciences (USA), Vol 78, pp 5275-78, 1981.
9. "Molecular Biology of the Gene", quarta edizione, di James D. Watson, Nancy H. Hopkins, Jeffrey W. Roberts, Joan Argetsinger Steitz e Alan M. Weiner. Benjamin Cummings, 1987. Ora può essere acquistato come un unico grande volume.
10. "Piccolo robot chirurgico in fase di sviluppo", San Jose Mercury News, 18 febbraio 1989, pagina 26A
11. "Rod Logic e rumore termico nel nanocomputer meccanico", di K. Eric Drexler, Atti del terzo simposio internazionale sui dispositivi elettronici molecolari, F. Carter ed., Elsevier 1988.
12. "Sottomarini abbastanza piccoli da percorrere il flusso sanguigno", in Business Week, 27 marzo 1989, pagina 64.
13. "Conservative Logic", di Edward Fredkin e Tommaso Toffoli, International Journal of Theoretical Physics, vol. 21 nn. 3/4, 1982, pagine 219-253.
14. "The Tomorrow Makers", Grant Fjermedal, MacMillan 1986.
15. "Dissipazione e immunità al rumore nel calcolo e nella comunicazione" di Rolf Landauer, Nature, Vol. 335, 27 ottobre 1988, pagina 779.
16. "Note sulla storia del calcolo reversibile" di Charles H. Bennett, IBM Journal of Research and Development, vol. 32, n. 1, gennaio 1988.
17. "Limitazioni classiche e quantistiche sul consumo di energia nel calcolo" di K. K. Likharev, International Journal of Theoretical Physics, vol. 21, nn. 3/4, 1982.
18. "Principi e tecniche della microscopia elettronica: applicazioni biologiche", Terza edizione, di M. A. Hayat, CRC Press, 1989.
19. "Machines of Inner Space" di K. Eric Drexler, Annuario della scienza e del futuro del 1990, pagine 160-177, pubblicato dall'Enciclopedia Britannica, Chicago 1989.
20. "Calcolo del trasportatore reversibile nell'array dei quantroni parametrici" di K. K. Likharev, S. V. Rylov e V. K. Semenov, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 21 n. 2, marzo 1985, pagine 947-950
21. "Theory of Self Reproducing Automata" di John Von Neumann, a cura di Arthur W. Burks, University of Illinois Press, 1966.
22. "The Children of the STM" di Robert Pool, Science, 9 febbraio 1990, pagine 634-636.
23. "Una piccola rivoluzione inizia", di Robert Pool, Science, 5 gennaio 1990.
24. "Advanced Automation for Space Missions", Atti dello studio estivo NASA / ASEE del 1980, a cura di Robert A. Freitas, Jr. e William P. Gilbreath. Disponibile da NTIS, Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti, Servizio di informazioni tecniche nazionali, Springfield, VA 22161; telefono 703-487- 4650, numero d'ordine N83-15348
25. "Posizionamento di atomi singoli con un microscopio a tunnel a scansione", di D. M. Eigler ed E. K. Schweizer, Nature Vol 344, 5 aprile 1990, pagina 524-526.
12. "Sottomarini abbastanza piccoli da percorrere il flusso sanguigno", in Business Week, 27 marzo 1989, pagina 64.
13. "Conservative Logic", di Edward Fredkin e Tommaso Toffoli, International Journal of Theoretical Physics, vol. 21 nn. 3/4, 1982, pagine 219-253.
14. "The Tomorrow Makers", Grant Fjermedal, MacMillan 1986.
15. "Dissipazione e immunità al rumore nel calcolo e nella comunicazione" di Rolf Landauer, Nature, Vol. 335, 27 ottobre 1988, pagina 779.
16. "Note sulla storia del calcolo reversibile" di Charles H. Bennett, IBM Journal of Research and Development, vol. 32, n. 1, gennaio 1988.
17. "Limitazioni classiche e quantistiche sul consumo di energia nel calcolo" di K. K. Likharev, International Journal of Theoretical Physics, vol. 21, nn. 3/4, 1982.
18. "Principi e tecniche della microscopia elettronica: applicazioni biologiche", Terza edizione, di M. A. Hayat, CRC Press, 1989.
19. "Machines of Inner Space" di K. Eric Drexler, Annuario della scienza e del futuro del 1990, pagine 160-177, pubblicato dall'Enciclopedia Britannica, Chicago 1989.
20. "Calcolo del trasportatore reversibile nell'array dei quantroni parametrici" di K. K. Likharev, S. V. Rylov e V. K. Semenov, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 21 n. 2, marzo 1985, pagine 947-950
21. "Theory of Self Reproducing Automata" di John Von Neumann, a cura di Arthur W. Burks, University of Illinois Press, 1966.
22. "The Children of the STM" di Robert Pool, Science, 9 febbraio 1990, pagine 634-636.
23. "Una piccola rivoluzione inizia", di Robert Pool, Science, 5 gennaio 1990.
24. "Advanced Automation for Space Missions", Atti dello studio estivo NASA / ASEE del 1980, a cura di Robert A. Freitas, Jr. e William P. Gilbreath. Disponibile da NTIS, Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti, Servizio di informazioni tecniche nazionali, Springfield, VA 22161; telefono 703-487- 4650, numero d'ordine N83-15348
25. "Posizionamento di atomi singoli con un microscopio a tunnel a scansione", di D. M. Eigler ed E. K. Schweizer, Nature Vol 344, 5 aprile 1990, pagina 524-526.
26. "Mind Children" di Hans Moravec, Harvard University Press, 1988.
27. "Microscopia di variazioni chimico-potenziali su scala atomica" di C.C. Williams e H.K. Wickramasinghe, Nature, Vol 344, 22 marzo 1990, pagine 317-319.
28. "Scambi temporali / spaziali per il calcolo reversibile" di Charles H. Bennett, SIAM J. Computing, vol. 18, n. 4, pagine 766-776, agosto 1989.
29. "Fixation for Electron Microscopy" di M. A. Hayat, Academic Press, 1981.
30. "La tecnologia inesistente viene ascoltata" di I. Amato, Science News, vol. 136, 4 novembre 1989, pagina 295.
31. "The Invisible Factory", The Economist, 9 dicembre 1989, pagina 91.
32. "Nanosistemi: macchinari molecolari, produzione e calcolo", di K. Eric Drexler, John Wiley 1992.
33. "MITI si dirige verso lo spazio interiore" di David Swinbanks, Nature, Vol 346, 23 agosto 1990, pagina 688-689.
34. "Fondamenti di fisica", terza edizione estesa, di David Halliday e Robert Resnick, Wiley 1988.
35. "General Chemistry" Seconda edizione, di Donald A. McQuarrie e Peter A. Rock, Freeman 1987.
36. "Charles Babbage sui principi e lo sviluppo della calcolatrice e altri scritti seminali" di Charles Babbage e altri. Dover, New York, 1961.
37. "Molecular Mechanics" di U. Burkert e N. L. Allinger, American Chemical Society Monograph 177 (1982).
38. "Rompere la barriera di diffrazione: microscopia ottica su scala nanometrica" di E. Betzig, J. K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner e R.L. Kostelak, Science Vol. 251, 22 marzo 1991, pagina 1468.
39. "Due tipi di logica reversibile meccanica" di Ralph C. Merkle, sottoposto alla nanotecnologia.
40. "Atom di Atom, gli scienziati costruiscono macchine del futuro" invisibili ", Andrew Pollack, The New York Times, sezione Science, martedì 26 novembre 1991, pagina B7.
41. "Analisi teorica di uno strumento di astrazione dell'idrogeno specifico per sito", di Charles Musgrave, Jason Perry, Ralph C. Merkle e William A. Goddard III, in Nanotecnologia, aprile 1992.
42. "Ottica in campo vicino: microscopia, spettroscopia e modifiche della superficie oltre il limite di diffrazione" di Eric Betzig e Jay K. Trautman, Science, Vol. 257, 10 luglio 1992, pagine 189-195.
43. "Guinness dei primati", Donald McFarlan et. al., Bantam 1989.
27. "Microscopia di variazioni chimico-potenziali su scala atomica" di C.C. Williams e H.K. Wickramasinghe, Nature, Vol 344, 22 marzo 1990, pagine 317-319.
28. "Scambi temporali / spaziali per il calcolo reversibile" di Charles H. Bennett, SIAM J. Computing, vol. 18, n. 4, pagine 766-776, agosto 1989.
29. "Fixation for Electron Microscopy" di M. A. Hayat, Academic Press, 1981.
30. "La tecnologia inesistente viene ascoltata" di I. Amato, Science News, vol. 136, 4 novembre 1989, pagina 295.
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32. "Nanosistemi: macchinari molecolari, produzione e calcolo", di K. Eric Drexler, John Wiley 1992.
33. "MITI si dirige verso lo spazio interiore" di David Swinbanks, Nature, Vol 346, 23 agosto 1990, pagina 688-689.
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36. "Charles Babbage sui principi e lo sviluppo della calcolatrice e altri scritti seminali" di Charles Babbage e altri. Dover, New York, 1961.
37. "Molecular Mechanics" di U. Burkert e N. L. Allinger, American Chemical Society Monograph 177 (1982).
38. "Rompere la barriera di diffrazione: microscopia ottica su scala nanometrica" di E. Betzig, J. K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner e R.L. Kostelak, Science Vol. 251, 22 marzo 1991, pagina 1468.
39. "Due tipi di logica reversibile meccanica" di Ralph C. Merkle, sottoposto alla nanotecnologia.
40. "Atom di Atom, gli scienziati costruiscono macchine del futuro" invisibili ", Andrew Pollack, The New York Times, sezione Science, martedì 26 novembre 1991, pagina B7.
41. "Analisi teorica di uno strumento di astrazione dell'idrogeno specifico per sito", di Charles Musgrave, Jason Perry, Ralph C. Merkle e William A. Goddard III, in Nanotecnologia, aprile 1992.
42. "Ottica in campo vicino: microscopia, spettroscopia e modifiche della superficie oltre il limite di diffrazione" di Eric Betzig e Jay K. Trautman, Science, Vol. 257, 10 luglio 1992, pagine 189-195.
43. "Guinness dei primati", Donald McFarlan et. al., Bantam 1989.
Fonte: BibliotecaPleyades
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