Mecanosíntesis

La mecanosíntesis es un término para síntesis químicas hipotéticas en las que los resultados de las reacciones están determinados por el uso de restricciones mecánicas para dirigir las moléculas reactivas a sitios moleculares específicos. Actualmente no existen síntesis químicas no biológicas que logren este objetivo. Se ha logrado cierta colocación atómica con microscopios de túnel de barrido.

Introducción

En la síntesis química convencional o quimiosíntesis, las moléculas reactivas se encuentran entre sí a través de un movimiento térmico aleatorio en un líquido o vapor. En un proceso hipotético de mecanosíntesis, las moléculas reactivas se unirían a los sistemas mecánicos moleculares y sus encuentros serían el resultado de movimientos mecánicos que las unirían en secuencias, posiciones y orientaciones planificadas. Se prevé que la mecanosíntesis evitaría reacciones no deseadas al mantener separados los reactivos potenciales y favorecería fuertemente las reacciones deseadas al mantener los reactivos juntos en orientaciones óptimas durante muchos ciclos de vibración molecular. En biología, el ribosoma proporciona un ejemplo de dispositivo mecanosintético programable.

Se ha realizado una forma no biológica de mecanoquímica a temperaturas criogénicas utilizando microscopios de túnel de barrido. Hasta el momento, estos dispositivos proporcionan el enfoque más cercano a las herramientas de fabricación para la ingeniería molecular. Una explotación más amplia de la mecanosíntesis espera una tecnología más avanzada para construir sistemas de máquinas moleculares, con sistemas similares a los ribosomas como un atractivo objetivo temprano.

Gran parte del entusiasmo con respecto a la mecanosíntesis avanzada se refiere a su uso potencial en el ensamblaje de dispositivos a escala molecular. Tales técnicas parecen tener muchas aplicaciones en medicina, aviación, extracción de recursos, manufactura y guerra.

La mayoría de las exploraciones teóricas de máquinas avanzadas de este tipo se han centrado en el uso de carbono, debido a los muchos enlaces fuertes que puede formar, los muchos tipos de química que permiten estos enlaces y la utilidad de estos enlaces en aplicaciones médicas y mecánicas. El carbono forma diamante, por ejemplo, que si estuviera disponible a bajo precio, sería un material excelente para muchas máquinas.

Se ha sugerido, en particular por K. Eric Drexler, que la mecanosíntesis será fundamental para la fabricación molecular basada en nanofábricas capaces de construir objetos macroscópicos con precisión atómica. El potencial de estos ha sido cuestionado, en particular por el premio Nobel Richard Smalley (quien propuso y luego criticó un enfoque impracticable basado en dedos pequeños).

La Colaboración Nanofactory, fundada por Robert Freitas y Ralph Merkle en 2000, es un esfuerzo continuo enfocado que involucra a 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países que está desarrollando una agenda de investigación práctica específicamente dirigida a la mecanosíntesis de diamantes controlada por posición y el desarrollo de nanofábricas de diamantes.

En la práctica, es posible llevar exactamente una molécula a un lugar conocido en la punta del microscopio, pero ha resultado difícil de automatizar. Dado que los productos prácticos requieren al menos varios cientos de millones de átomos, esta técnica aún no ha demostrado ser práctica para formar un producto real.

El objetivo de una línea de investigación de mecanoensamblaje se centra en superar estos problemas mediante la calibración y la selección de reacciones de síntesis apropiadas. Algunos sugieren intentar desarrollar una máquina herramienta especializada, muy pequeña (aproximadamente 1000 nanómetros por lado) que pueda construir copias de sí misma usando medios mecanoquímicos, bajo el control de una computadora externa. En la literatura, dicha herramienta se denomina ensamblador o ensamblador molecular. Una vez que existan los ensambladores, el crecimiento geométrico (dirigir copias para hacer copias) podría reducir rápidamente el costo de los ensambladores. El control por una computadora externa debería entonces permitir que grandes grupos de ensambladores construyan proyectos grandes y útiles con precisión atómica. Uno de esos proyectos combinaría cintas transportadoras de nivel molecular con ensambladores montados permanentemente para producir una fábrica.

En parte para resolver esta y otras preguntas relacionadas sobre los peligros de los accidentes industriales y los temores populares de eventos fuera de control equivalentes a los desastres de Chernobyl y Bhopal, y el problema más remoto de la ecofagia, la sustancia pegajosa gris y la sustancia pegajosa verde (diversos desastres potenciales que surgen de los replicadores fuera de control, que podría construirse mediante mecanosíntesis), la Royal Society y la Royal Academy of Engineering del Reino Unido encargaron en 2003 un estudio para abordar estos problemas y las implicaciones sociales y ecológicas más amplias, dirigido por la profesora de ingeniería mecánica Ann Dowling. Algunos anticiparon que esto tomaría una posición fuerte sobre estos problemas y potenciales, y sugeriría cualquier camino de desarrollo hacia una teoría general de la llamada mecanosíntesis. Sin embargo, el informe de nanotecnología de la Royal Society no abordó en absoluto la fabricación molecular,

Las propuestas técnicas actuales para las nanofábricas no incluyen nanorobots autorreplicantes, y las pautas éticas recientes prohibirían el desarrollo de capacidades de autorreplicación sin restricciones en nanomáquinas.

Mecanosíntesis de diamantes

Hay un cuerpo creciente de trabajos teóricos revisados ​​por pares sobre la síntesis de diamantes mediante la eliminación o adición mecánica de átomos de hidrógeno y el depósito de átomos de carbono (un proceso conocido como mecanosíntesis de diamantes o DMS). Por ejemplo, el artículo de 2006 en este esfuerzo de investigación continuo de Freitas, Merkle y sus colaboradores informa que el motivo de información sobre herramientas de mecanosíntesis más estudiado (DCB6Ge) coloca con éxito un C ₂dímero de carbono en una superficie de diamante C(110) a 300 K (temperatura ambiente) y 80 K (temperatura de nitrógeno líquido), y que la variante de silicio (DCB6Si) también funciona a 80 K pero no a 300 K. Esta información sobre herramientas está destinada para usarse solo en entornos cuidadosamente controlados (p. ej., vacío). Los límites máximos aceptables para los errores de traslación y rotación de la información sobre herramientas se informan en el documento III: la información sobre herramientas debe colocarse con gran precisión para evitar la unión incorrecta del dímero. En este estudio se invirtieron más de 100 000 horas de CPU.

El motivo de información sobre herramientas DCB6Ge, descrito inicialmente en una Conferencia Foresight en 2002, fue el primer motivo de información sobre herramientas completo jamás propuesto para la mecanosíntesis de diamantes y sigue siendo el único motivo de información sobre herramientas que se ha simulado con éxito para su función prevista en una superficie completa de diamante de 200 átomos. Aunque un artículo anterior proporciona una velocidad de colocación prevista de 1 dímero por segundo para esta información sobre herramientas, este límite fue impuesto por la lenta velocidad de recarga de la herramienta utilizando un método de recarga ineficiente.y no se basa en ninguna limitación inherente a la velocidad de uso de una información sobre herramientas cargada. Además, no se propuso ningún medio de detección para discriminar entre los tres posibles resultados de un intento de colocación de un dímero (deposición en la ubicación correcta, deposición en la ubicación incorrecta y falla en la colocación del dímero) porque la propuesta inicial era colocar la información sobre herramientas por estima, con la reacción adecuada asegurada mediante el diseño de la energía química adecuada y las fuerzas de enlace relativas para la interacción de la superficie de la punta de la herramienta.

El trabajo teórico más reciente analiza un conjunto completo de nueve herramientas moleculares hechas de hidrógeno, carbono y germanio capaces de (a) sintetizar todas las herramientas del conjunto (b) recargar todas las herramientas del conjunto a partir de moléculas de materia prima apropiadas y (c) sintetizar una amplia gama de hidrocarburos rígidos (diamante, grafito, fullerenos y similares). Todas las reacciones requeridas se analizan utilizando métodos estándar de química cuántica ab initio.

La investigación adicional para considerar consejos alternativos requerirá una química computacional que consume mucho tiempo y un trabajo de laboratorio difícil. A principios de la década de 2000, un arreglo experimental típico consistía en unir una molécula a la punta de un microscopio de fuerza atómica y luego usar las capacidades de posicionamiento preciso del microscopio para empujar la molécula en la punta hacia otra en un sustrato. Dado que los ángulos y las distancias se pueden controlar con precisión, y la reacción se produce en el vacío, son posibles compuestos y arreglos químicos novedosos.

Historia

La técnica de mover átomos individuales mecánicamente fue propuesta por Eric Drexler en su libro de 1986 The Engines of Creation.

En 1988, los investigadores del Instituto de Investigación de Zúrich de IBM deletrearon con éxito las letras "IBM" en átomos de xenón en una superficie de cobre criogénico, validando ampliamente el enfoque. Desde entonces, varios proyectos de investigación se han comprometido a utilizar técnicas similares para almacenar datos informáticos de forma compacta. Más recientemente, la técnica se ha utilizado para explorar químicas físicas novedosas, a veces usando láseres para excitar las puntas a estados de energía particulares, o examinar la química cuántica de enlaces químicos particulares.

En 1999, se sugirió una metodología probada experimentalmente llamada escaneo orientado a características (FOS). La metodología de escaneo orientada a características permite controlar con precisión la posición de la sonda de un microscopio de sonda de barrido (SPM) en una superficie atómica a temperatura ambiente. La metodología sugerida admite el control completamente automático de instrumentos de sonda única y multisonda para resolver tareas de mecanosíntesis y nanofabricación de abajo hacia arriba.

En 2003, Oyabu et al. informó el primer caso de creación y ruptura de enlaces covalentes de base puramente mecánica, es decir, la primera demostración experimental de una verdadera mecanosíntesis, aunque con átomos de silicio en lugar de átomos de carbono.

En 2005, se presentó la primera solicitud de patente sobre mecanosíntesis de diamantes.

En 2008, se propuso una subvención de 3,1 millones de dólares para financiar el desarrollo de un sistema de mecanosíntesis de prueba de principio.

Consulte también nanotecnología molecular, una explicación más general de los posibles productos y una discusión sobre otras técnicas de ensamblaje.