Nanotecnologia molecular
Nanotecnologia molecular (MNT) é uma tecnologia baseada na capacidade de construir estruturas para especificações atômicas complexas por meio de mecanossíntese. Isso é diferente dos materiais em nanoescala. Com base na visão de Richard Feynman de fábricas em miniatura usando nanomáquinas para construir produtos complexos (incluindo nanomáquinas adicionais), essa forma avançada de nanotecnologia (ou manufatura molecular) faria uso de mecanossíntese controlada posicionalmente por sistemas de máquinas moleculares. A MNT envolveria a combinação de princípios físicos demonstrados pela biofísica, química, outras nanotecnologias e a maquinaria molecular da vida com os princípios de engenharia de sistemas encontrados nas modernas fábricas em macroescala.
Introdução
Enquanto a química convencional usa processos inexatos obtendo resultados inexatos, e a biologia explora processos inexatos para obter resultados definitivos, a nanotecnologia molecular empregaria processos definitivos originais para obter resultados definitivos. O desejo na nanotecnologia molecular seria equilibrar as reações moleculares em locais e orientações posicionalmente controlados para obter as reações químicas desejadas e, em seguida, construir sistemas montando ainda mais os produtos dessas reações.
Um roteiro para o desenvolvimento do MNT é um objetivo de um projeto de tecnologia de base ampla liderado por Battelle (gerente de vários laboratórios nacionais dos EUA) e pelo Foresight Institute. O roteiro foi originalmente programado para ser concluído no final de 2006, mas foi lançado em janeiro de 2008. A Nanofactory Collaboration é um esforço contínuo mais focado envolvendo 23 pesquisadores de 10 organizações e 4 países que está desenvolvendo uma agenda de pesquisa prática especificamente voltada para diamantes controlados posicionalmente. mecanossíntese e desenvolvimento de nanofábrica de diamantóides. Em agosto de 2005, uma força-tarefa composta por mais de 50 especialistas internacionais de várias áreas foi organizada pelo Centro de Nanotecnologia Responsável para estudar as implicações sociais da nanotecnologia molecular.
Aplicativos e recursos projetados
Materiais inteligentes e nanosensores
Qualquer tipo de material projetado e desenvolvido em escala nanométrica para uma tarefa específica é um material inteligente. Se os materiais pudessem ser projetados para responder de forma diferente a várias moléculas, por exemplo, drogas artificiais poderiam reconhecer e tornar vírus específicos inertes. Estruturas de autocura reparariam pequenos rasgos em uma superfície naturalmente da mesma forma que a pele humana.
Um nanossensor se assemelharia a um material inteligente, envolvendo um pequeno componente dentro de uma máquina maior que reagiria ao seu ambiente e mudaria de alguma maneira fundamental e intencional. Um exemplo muito simples: um fotossensor pode medir passivamente a luz incidente e descarregar sua energia absorvida como eletricidade quando a luz passa acima ou abaixo de um limite especificado, enviando um sinal para uma máquina maior. Tal sensor supostamente custaria menos e usaria menos energia do que um sensor convencional, e ainda funcionaria de forma útil em todas as mesmas aplicações – por exemplo, acender as luzes do estacionamento quando escurece.
Embora materiais inteligentes e nanossensores exemplifiquem aplicações úteis de MNT, eles empalidecem em comparação com a complexidade da tecnologia mais popularmente associada ao termo: o nanorrobô replicador.
Replicando nanorobôs
A nanofactura MNT é popularmente ligada à ideia de enxames de robôs coordenados em nanoescala trabalhando juntos, uma popularização de uma proposta inicial de K. Eric Drexler em suas discussões de 1986 sobre MNT, mas substituída em 1992. Nesta proposta inicial, suficientemente capaz os nanorobôs construiriam mais nanorobôs em um ambiente artificial contendo blocos de construção moleculares especiais.
Os críticos duvidaram tanto da viabilidade de nanorobôs autorreplicantes quanto da viabilidade de controle se nanorrobôs autorreplicantes pudessem ser alcançados: eles citam a possibilidade de mutações removendo qualquer controle e favorecendo a reprodução de variações patogênicas mutantes. Os defensores abordam a primeira dúvida apontando que o primeiro replicador autônomo de máquina em macroescala, feito de blocos de Lego, foi construído e operado experimentalmente em 2002. Embora existam vantagens sensoriais presentes na macroescala em comparação com o sensorium limitado disponível na nanoescala, propostas para os sistemas de fabricação mecanossintéticos em nanoescala controlados posicionalmente empregam cálculo inoperante de dicas de ferramentas combinadas com design de sequência de reação confiável para garantir resultados confiáveis, portanto, um sensorium limitado não é uma desvantagem; considerações semelhantes se aplicam à montagem posicional de pequenas nanoparts. Os defensores abordam a segunda dúvida argumentando que as bactérias são (por necessidade) evoluídas para evoluir, enquanto a mutação do nanorobô pode ser ativamente evitada por técnicas comuns de correção de erros. Idéias semelhantes são defendidas no Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology, e um mapa do espaço de design do replicador de 137 dimensões publicado recentemente por Freitas e Merkle fornece vários métodos propostos pelos quais os replicadores poderiam, em princípio, ser controlados com segurança por um bom design.
No entanto, o conceito de supressão de mutação levanta a questão: como a evolução do design pode ocorrer em nanoescala sem um processo de mutação aleatória e seleção determinística? Os críticos argumentam que os defensores do MNT não forneceram um substituto para tal processo de evolução nesta arena em nanoescala, onde faltam processos convencionais de seleção baseados em sensores. Os limites do sensorium disponível em nanoescala podem tornar difícil ou impossível separar os sucessos dos fracassos. Os defensores argumentam que a evolução do design deve ocorrer de forma determinista e estritamente sob controle humano, usando o paradigma de engenharia convencional de modelagem, design, prototipagem, teste, análise e redesenho.
De qualquer forma, desde 1992 as propostas técnicas para MNT não incluem nanorobôs auto-replicantes, e as recentes diretrizes éticas apresentadas pelos defensores da MNT proíbem a auto-replicação irrestrita.
Nanorobôs médicos
Uma das aplicações mais importantes da MNT seria a nanorrobótica médica ou nanomedicina, uma área pioneira de Robert Freitas em vários livros e artigos. A capacidade de projetar, construir e implantar um grande número de nanorobôs médicos tornaria possível, no mínimo, a rápida eliminação de doenças e a recuperação confiável e relativamente indolor de traumas físicos. Nanorobôs médicos também podem possibilitar a correção conveniente de defeitos genéticos e ajudar a garantir uma expectativa de vida muito maior. Mais controversamente, nanorobôs médicos podem ser usados para aumentar as capacidades humanas naturais. Um estudo relatou como condições como tumores, arteriosclerose, coágulos sanguíneos que levam a derrames, acúmulo de tecido cicatricial e bolsas localizadas de infecção podem ser tratadas com o emprego de nanorobôs médicos.
Névoa utilitária
Outra aplicação proposta da nanotecnologia molecular é a "névoa utilitária" — em que uma nuvem de robôs microscópicos em rede (mais simples que montadores) mudaria sua forma e propriedades para formar objetos e ferramentas macroscópicas de acordo com comandos de software. Em vez de modificar as práticas atuais de consumo de bens materiais em diferentes formas, a névoa utilitária simplesmente substituiria muitos objetos físicos.
Phased-array ótica
Ainda outra aplicação proposta de MNT seria óptica de matriz de fase (PAO). No entanto, este parece ser um problema resolvido pela tecnologia de nanoescala comum. A PAO usaria o princípio da tecnologia de phased-array milimétrica, mas em comprimentos de onda ópticos. Isso permitiria a duplicação de qualquer tipo de efeito óptico, mas virtualmente. Os usuários podem solicitar hologramas, amanheceres e entardeceres ou lasers flutuantes de acordo com o clima. Os sistemas PAO foram descritos em Nanotechnology: Molecular Speculations on Global Abundance de BC Crandall no artigo de Brian Wowk "Phased-Array Optics."
Possíveis impactos sociais
A manufatura molecular é um futuro subcampo potencial da nanotecnologia que possibilitaria a construção de estruturas complexas com precisão atômica. A fabricação molecular requer avanços significativos em nanotecnologia, mas, uma vez alcançados, podem produzir produtos altamente avançados a baixo custo e em grandes quantidades em nanofábricas com peso de um quilograma ou mais. Quando as nanofábricas ganham a capacidade de produzir outras nanofábricas, a produção pode ser limitada apenas por fatores relativamente abundantes, como insumos, energia e software.
Os produtos da fabricação molecular podem variar de versões mais baratas e produzidas em massa de produtos conhecidos de alta tecnologia a novos produtos com recursos adicionais em muitas áreas de aplicação. Algumas aplicações sugeridas são materiais inteligentes avançados, nanossensores, nanorobôs médicos e viagens espaciais. Além disso, a fabricação molecular pode ser usada para produzir armas altamente avançadas e duráveis, o que é uma área de preocupação especial em relação ao impacto da nanotecnologia. Equipados com computadores e motores compactos, estes poderão ser cada vez mais autónomos e ter uma vasta gama de capacidades.
De acordo com Chris Phoenix e Mike Treder, do Center for Responsible Nanotechnology, bem como Anders Sandberg, do Future of Humanity Institute, a fabricação molecular é a aplicação da nanotecnologia que representa o risco catastrófico global mais significativo. Vários pesquisadores de nanotecnologia afirmam que a maior parte do risco da nanotecnologia vem do potencial de levar a guerras, corridas armamentistas e governos globais destrutivos. Várias razões têm sido sugeridas porque a disponibilidade de armamento nanotecnológico pode, com probabilidade significativa, levar a corridas armamentistas instáveis (em comparação com, por exemplo, corridas armamentistas nucleares): (1) Um grande número de jogadores pode ser tentado a entrar na corrida desde que o limiar para fazê-lo é baixo; (2) a capacidade de fabricar armas com fabricação molecular será barata e fácil de esconder; (3) portanto, a falta de conhecimento sobre os interesses das outras partes. as capacidades podem levar os jogadores a se armarem por precaução ou a lançar ataques preventivos; (4) a fabricação molecular pode reduzir a dependência do comércio internacional, um potencial fator de promoção da paz; (5) as guerras de agressão podem representar uma ameaça econômica menor para o agressor, uma vez que a fabricação é barata e os seres humanos podem não ser necessários no campo de batalha.
Uma vez que a autorregulação por todos os atores estatais e não estatais parece difícil de alcançar, as medidas para mitigar os riscos relacionados à guerra foram propostas principalmente na área da cooperação internacional. A infraestrutura internacional pode ser ampliada dando mais soberania ao nível internacional. Isso poderia ajudar a coordenar os esforços para o controle de armas. Instituições internacionais dedicadas especificamente à nanotecnologia (talvez de forma análoga à Agência Internacional de Energia Atômica IAEA) ou controle geral de armas também podem ser projetadas. Pode-se também fazer avanços tecnológicos diferenciais em tecnologias defensivas, uma política que os jogadores geralmente devem favorecer. O Centro de Nanotecnologia Responsável também sugere algumas restrições técnicas. Maior transparência em relação às capacidades tecnológicas pode ser outro facilitador importante para o controle de armas.
Uma gosma cinza é outro cenário catastrófico, que foi proposto por Eric Drexler em seu livro de 1986 Engines of Creation, foi analisado por Freitas em "Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, com recomendações de políticas públicas" e tem sido um tema na grande mídia e na ficção. Este cenário envolve minúsculos robôs auto-replicantes que consomem toda a biosfera usando-a como fonte de energia e blocos de construção. Especialistas em nanotecnologia, incluindo Drexler, agora desacreditam o cenário. De acordo com Chris Phoenix, a "chamada gosma cinza só poderia ser o produto de um processo de engenharia deliberado e difícil, não um acidente". Com o advento da nanobiotecnologia, um cenário diferente chamado gosma verde foi encaminhado. Aqui, a substância maligna não são os nanorrobôs, mas sim organismos biológicos auto-replicantes projetados por meio da nanotecnologia.
Benefícios
A nanotecnologia (ou a nanotecnologia molecular para se referir mais especificamente aos objetivos aqui discutidos) nos permitirá continuar as tendências históricas na fabricação até os limites fundamentais impostos pela lei física. Ele vai nos deixar fazer computadores moleculares notavelmente poderosos. Ele vai nos deixar fazer materiais mais cinqüenta vezes mais leve do que aço ou liga de alumínio, mas com a mesma força. Nós seremos capazes de fazer jatos, foguetes, carros ou mesmo cadeiras que, pelos padrões de hoje, seria notavelmente leve, forte e barato. Ferramentas cirúrgicas moleculares, guiadas por computadores moleculares e injetadas no fluxo sanguíneo podem encontrar e destruir células cancerosas ou invasar bactérias, artérias não clog, ou fornecer oxigênio quando a circulação é prejudicada.
A Nanotecnologia substituirá toda a nossa base de fabricação com uma forma nova, radicalmente mais precisa, radicalmente menos cara e radicalmente mais flexível de fazer produtos. O objetivo não é simplesmente substituir as fábricas de chip de computador de hoje, mas também substituir as linhas de montagem para carros, televisões, telefones, livros, ferramentas cirúrgicas, mísseis, maletas, aviões, tratores e todo o resto. O objetivo é uma mudança pervasiva na fabricação, uma mudança que não deixará praticamente nenhum produto intocado. O progresso econômico e a prontidão militar no século XXI dependerão fundamentalmente da manutenção de uma posição competitiva na nanotecnologia.
Apesar do atual status inicial de desenvolvimento da nanotecnologia e da nanotecnologia molecular, muita preocupação envolve o impacto previsto da MNT na economia e no direito. Quaisquer que sejam os efeitos exatos, a MNT, se alcançada, tenderia a reduzir a escassez de bens manufaturados e tornar muitos outros bens (como alimentos e auxiliares de saúde) fabricáveis.
A MNT deve possibilitar recursos nanomédicos capazes de curar qualquer condição médica ainda não curada por avanços em outras áreas. Boa saúde seria comum, e problemas de saúde de qualquer forma seriam tão raros quanto a varíola e o escorbuto são hoje. Mesmo a criogenia seria viável, pois o tecido criopreservado poderia ser totalmente reparado.
Riscos
A nanotecnologia molecular é uma das tecnologias que alguns analistas acreditam que pode levar a uma singularidade tecnológica, na qual o crescimento tecnológico se acelerou a ponto de ter efeitos imprevisíveis. Alguns efeitos podem ser benéficos, enquanto outros podem ser prejudiciais, como a utilização da nanotecnologia molecular por uma inteligência artificial geral hostil. Alguns acham que a nanotecnologia molecular teria riscos assustadores. É concebível que isso permita armas convencionais mais baratas e destrutivas. Além disso, a nanotecnologia molecular pode permitir armas de destruição em massa que podem se autorreplicar, como fazem os vírus e as células cancerígenas quando atacam o corpo humano. Os comentaristas geralmente concordam que, caso a nanotecnologia molecular fosse desenvolvida, sua auto-replicação deveria ser permitida apenas sob condições muito controladas ou "inerentemente seguras" condições.
Existe o medo de que os robôs nanomecânicos, se alcançados e projetados para se autorreplicar usando materiais naturais (uma tarefa difícil), possam consumir todo o planeta em sua fome de matérias-primas ou simplesmente expulsar a vida natural, -competindo por energia (como aconteceu historicamente quando as algas verde-azuladas apareceram e superaram as formas de vida anteriores). Alguns comentaristas se referiram a essa situação como o "grey goo" ou "ecofagia" cenário. K. Eric Drexler considera uma "goma cinza" cenário extremamente improvável e diz isso em edições posteriores de Engines of Creation.
À luz dessa percepção de perigo potencial, o Foresight Institute, fundado por Drexler, preparou um conjunto de diretrizes para o desenvolvimento ético da nanotecnologia. Isso inclui a proibição de pseudo-organismos auto-replicantes de forrageamento livre na superfície da Terra, pelo menos, e possivelmente em outros lugares.
Problemas técnicos e críticas
A viabilidade das tecnologias básicas analisadas em Nanosistemas foi objeto de uma revisão científica formal pela Academia Nacional de Ciências dos EUA, e também tem sido o foco de amplo debate na internet e no imprensa popular.
Estudo e recomendações da Academia Nacional de Ciências dos EUA
Em 2006, a Academia Nacional de Ciências dos EUA divulgou o relatório de um estudo de fabricação molecular como parte de um relatório mais longo, A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative O comitê de estudo revisou o conteúdo técnico de Nanosystems, e em sua conclusão afirma que nenhuma análise teórica atual pode ser considerada definitiva em relação a várias questões de desempenho potencial do sistema, e que caminhos ótimos para a implementação de sistemas de alto desempenho não podem ser previstos com confiança. Recomenda pesquisas experimentais para avançar o conhecimento nesta área:
- "Embora cálculos teóricos possam ser feitos hoje, a gama eventualmente atingível de ciclos de reação química, taxas de erro, velocidade de operação e eficiências termodinâmicas de tais sistemas de fabricação bottom-up não podem ser previsíveis de forma confiável neste momento. Assim, a perfeição e a complexidade eventualmente atingíveis dos produtos fabricados, enquanto podem ser calculados em teoria, não podem ser previstos com confiança. Finalmente, os caminhos de pesquisa ideais que podem levar a sistemas que excedem consideravelmente as eficiências termodinâmicas e outras capacidades de sistemas biológicos não podem ser previsíveis de forma confiável neste momento. O financiamento de pesquisa baseado na capacidade dos investigadores de produzir demonstrações experimentais que ligam a modelos abstratos e guiam a visão a longo prazo é mais apropriado para alcançar esse objetivo."
Montadores versus nanofábricas
Um cabeçalho de seção em Engines of Creation de Drexler diz "Assemblers Universais", e o texto a seguir fala de vários tipos de montadores que, coletivamente, poderiam hipoteticamente & #34;construa quase tudo que as leis da natureza permitem que exista." O colega de Drexler, Ralph Merkle, observou que, ao contrário da lenda generalizada, Drexler nunca afirmou que os sistemas montadores poderiam construir absolutamente qualquer estrutura molecular. As notas finais do livro de Drexler explicam a qualificação "quase": "Por exemplo, uma estrutura delicada pode ser projetada que, como um arco de pedra, se autodestruiria a menos que todas as suas peças fossem já no lugar. Se não houvesse espaço no projeto para a colocação e remoção de um andaime, a estrutura poderia ser impossível de construir. Poucas estruturas de interesse prático parecem apresentar tal problema, no entanto."
Em 1992, Drexler publicou Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, uma proposta detalhada para sintetizar estruturas covalentes rígidas usando uma fábrica de mesa. Estruturas diamantadas e outras estruturas covalentes rígidas, se alcançadas, teriam uma ampla gama de aplicações possíveis, indo muito além da tecnologia MEMS atual. Em 1992, foi traçado um caminho para a construção de uma fábrica de mesa na ausência de uma montadora. Outros pesquisadores começaram a propor caminhos alternativos e provisórios para isso nos anos desde que Nanosystems foi publicado.
Nanotecnologia dura versus leve
Em 2004, Richard Jones escreveu Soft Machines (nanotecnologia e vida), um livro para o público leigo publicado pela Universidade de Oxford. Neste livro, ele descreve a nanotecnologia radical (conforme defendida por Drexler) como uma ideia determinista/mecanicista de máquinas nano projetadas que não leva em conta os desafios da nanoescala, como umidade, viscosidade, movimento browniano e alta viscosidade. Ele também explica o que é a nanotecnologia leve ou, mais apropriadamente, a nanotecnologia biomimética, que é o caminho a seguir, se não o melhor, para projetar nanodispositivos funcionais que possam lidar com todos os problemas em nanoescala. Pode-se pensar na nanotecnologia leve como o desenvolvimento de nanomáquinas que usa as lições aprendidas com a biologia sobre como as coisas funcionam, a química para projetar com precisão tais dispositivos e a física estocástica para modelar o sistema e seus processos naturais em detalhes.
O debate Smalley-Drexler
Vários pesquisadores, incluindo o vencedor do Prêmio Nobel, Dr. Richard Smalley (1943–2005), atacaram a noção de montadores universais, levando a uma refutação de Drexler e colegas e, eventualmente, a uma troca de cartas. Smalley argumentou que a química é extremamente complicada, as reações são difíceis de controlar e que um montador universal é ficção científica. Drexler e seus colegas, no entanto, observaram que Drexler nunca propôs montadores universais capazes de fazer absolutamente qualquer coisa, mas, em vez disso, propôs montadores mais limitados, capazes de fazer uma variedade muito ampla de coisas. Eles desafiaram a relevância dos argumentos de Smalley para as propostas mais específicas avançadas em Nanosystems. Além disso, Smalley argumentou que quase toda a química moderna envolve reações que ocorrem em um solvente (geralmente água), porque as pequenas moléculas de um solvente contribuem com muitas coisas, como diminuir as energias de ligação para estados de transição. Como quase toda química conhecida requer um solvente, Smalley sentiu que a proposta de Drexler de usar um ambiente de alto vácuo não era viável. No entanto, Drexler aborda isso em Nanosystems mostrando matematicamente que catalisadores bem projetados podem fornecer os efeitos de um solvente e podem fundamentalmente se tornar ainda mais eficientes do que uma reação solvente/enzima jamais poderia ser. É digno de nota que, ao contrário da opinião de Smalley de que as enzimas requerem água, "não apenas as enzimas trabalham vigorosamente em meio orgânico anidro, mas neste meio não natural elas adquirem propriedades notáveis, como estabilidade muito aumentada, alteração radical substrato e especificidades enantioméricas, memória molecular e a capacidade de catalisar reações incomuns."
Redefinição da palavra "nanotecnologia"
Para o futuro, alguns meios devem ser encontrados para a evolução do design MNT em nanoescala que imite o processo de evolução biológica em escala molecular. A evolução biológica prossegue por variação aleatória em médias de conjuntos de organismos combinadas com seleção das variantes menos bem-sucedidas e reprodução das variantes mais bem-sucedidas, e o projeto de engenharia em macroescala também prossegue por um processo de evolução do projeto da simplicidade à complexidade, conforme estabelecido de maneira satírica por John Gall: "Um sistema complexo que funciona invariavelmente evoluiu de um sistema simples que funcionou.... Um sistema complexo projetado do zero nunca funciona e não pode ser corrigido para fazê-lo funcionar. Você tem que começar de novo, começando com um sistema que funcione." É necessário um avanço no MNT que proceda dos conjuntos atômicos simples que podem ser construídos com, por exemplo, um STM para sistemas MNT complexos por meio de um processo de evolução do design. Uma desvantagem neste processo é a dificuldade de visualização e manipulação em nanoescala em comparação com a macroescala, o que dificulta a seleção determinística de tentativas bem-sucedidas; em contraste, a evolução biológica procede por meio da ação do que Richard Dawkins chamou de "relojoeiro cego" compreendendo variação molecular aleatória e reprodução/extinção determinística.
Atualmente, em 2007, a prática da nanotecnologia abrange tanto abordagens estocásticas (nas quais, por exemplo, a química supramolecular cria calças à prova d'água) quanto abordagens determinísticas em que moléculas individuais (criadas por química estocástica) são manipuladas em superfícies de substrato (criadas por deposição estocástica métodos) por métodos determinísticos compreendendo cutucá-los com sondas STM ou AFM e causar a ocorrência de reações simples de ligação ou clivagem. O sonho de uma nanotecnologia molecular complexa e determinística permanece indefinido. Desde meados da década de 1990, milhares de cientistas de superfície e tecnocratas de filmes finos aderiram ao movimento da nanotecnologia e redefiniram suas disciplinas como nanotecnologia. Isso causou muita confusão no campo e gerou milhares de "nano"-papers na literatura revisada por pares. A maioria desses relatórios são extensões da pesquisa mais comum feita nos campos principais.
A viabilidade das propostas em Nanossistemas
A viabilidade das propostas de Drexler depende muito, portanto, se projetos como aqueles em Nanosystems poderiam ser construídos na ausência de um montador universal para construí-los e funcionariam conforme descrito. Os defensores da nanotecnologia molecular frequentemente afirmam que nenhum erro significativo foi descoberto em nanossistemas desde 1992. Mesmo alguns críticos admitem que "Drexler considerou cuidadosamente uma série de princípios físicos subjacentes à 'alta nível' aspectos dos nanossistemas que ele propõe e, de fato, pensou com algum detalhe" sobre algumas questões.
Outros críticos afirmam, no entanto, que Nanosystems omite detalhes químicos importantes sobre a 'linguagem de máquina' da nanotecnologia molecular. Eles também afirmam que muito da outra química de baixo nível em Nanosystems requer extenso trabalho adicional e que os projetos de nível superior de Drexler, portanto, repousam em fundamentos especulativos. O trabalho recente de Freitas e Merkle visa fortalecer esses fundamentos, preenchendo as lacunas existentes na química de baixo nível.
Drexler argumenta que talvez precisemos esperar até que nossa nanotecnologia convencional melhore antes de resolver esses problemas: "A fabricação molecular resultará de uma série de avanços em sistemas de máquinas moleculares, assim como o primeiro pouso na Lua resultou de uma série de avanços em sistemas de foguetes de combustível líquido. Estamos agora em uma posição como a da British Interplanetary Society da década de 1930, que descreveu como foguetes de vários estágios movidos a combustível líquido poderiam atingir a Lua e apontou os primeiros foguetes como ilustrações do princípio básico." No entanto, Freitas e Merkle argumentam que um esforço concentrado para alcançar a mecanossíntese de diamante (DMS) pode começar agora, usando a tecnologia existente, e pode alcançar o sucesso em menos de uma década se sua "abordagem direta para DMS for adotada em vez de uma abordagem de desenvolvimento mais tortuosa que busca implementar tecnologias de fabricação molecular não diamantóide menos eficazes antes de progredir para diamantóide'.
Para resumir os argumentos contra a viabilidade: Primeiro, os críticos argumentam que uma barreira primária para alcançar a nanotecnologia molecular é a falta de uma maneira eficiente de criar máquinas em escala molecular/atômica, especialmente na ausência de um caminho bem definido para um montador auto-replicante ou nanofábrica diamantóide. Os defensores respondem que um caminho de pesquisa preliminar que leva a uma nanofábrica de diamantóides está sendo desenvolvido.
Uma segunda dificuldade para chegar à nanotecnologia molecular é o design. O projeto manual de uma engrenagem ou rolamento no nível dos átomos pode levar de algumas a várias semanas. Embora Drexler, Merkle e outros tenham criado designs de peças simples, nenhum esforço de design abrangente para qualquer coisa que se aproxime da complexidade de um Ford Modelo T foi tentado. Os defensores respondem que é difícil empreender um esforço de design abrangente na ausência de financiamento significativo para tais esforços e que, apesar dessa desvantagem, muito design-ahead útil foi realizado com novas ferramentas de software que foram desenvolvidas, por exemplo, na Nanorex.
No último relatório A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative publicado pela National Academies Press em dezembro de 2006 (aproximadamente vinte anos após a publicação de Engines of Creation), não há o caminho a seguir em direção à nanotecnologia molecular ainda pode ser visto, conforme a conclusão na página 108 desse relatório: "Embora cálculos teóricos possam ser feitos hoje, o eventualmente atingível gama de ciclos de reação química, taxas de erro, velocidade de operação e termodinâmica eficiências de tais sistemas de fabricação de baixo para cima não podem ser confiavelmente previsto neste momento. Assim, a perfeição eventualmente atingível e a complexidade de produtos manufaturados, embora possam ser calculados em teoria, não podem ser previstos com confiança. Finalmente, os caminhos de pesquisa ótimos que podem levar a sistemas que excedem em muito as eficiências termodinâmicas e outras capacidades de sistemas biológicos não podem ser previstos de forma confiável neste momento. Financiamento de pesquisa que baseia-se na capacidade dos investigadores de produzir demonstrações experimentais que vinculam a modelos abstratos e orientam a visão de longo prazo é mais apropriado para atingir este objetivo." Esta chamada para pesquisas levando a demonstrações é bem-vinda por grupos como a Nanofactory Collaboration, que buscam especificamente sucessos experimentais na mecanossíntese de diamantes. O "Roteiro Tecnológico para Nanosistemas Produtivos" visa oferecer insights construtivos adicionais.
Talvez seja interessante perguntar se a maioria das estruturas consistentes com as leis físicas podem ou não ser fabricadas. Os defensores afirmam que, para alcançar a maior parte da visão da fabricação molecular, não é necessário ser capaz de construir "qualquer estrutura que seja compatível com a lei natural". Em vez disso, é necessário ser capaz de construir apenas um subconjunto suficiente (possivelmente modesto) de tais estruturas - como é verdade, de fato, em qualquer processo prático de fabricação usado no mundo hoje, e é verdade até mesmo na biologia. De qualquer forma, como Richard Feynman disse uma vez, "É científico apenas dizer o que é mais provável ou menos provável, e não provar o tempo todo o que é possível ou impossível". 34;
Trabalhos existentes sobre mecanossíntese de diamante
Há um corpo crescente de trabalho teórico revisado por pares sobre a síntese de diamantes removendo/adicionando mecanicamente átomos de hidrogênio e depositando átomos de carbono (um processo conhecido como mecanossíntese). Este trabalho está lentamente permeando a comunidade mais ampla de nanociência e está sendo criticado. Por exemplo, Peng et al. (2006) (no esforço contínuo de pesquisa de Freitas, Merkle e seus colaboradores) relata que o motivo de dica de ferramenta de mecanossíntese mais estudado (DCB6Ge) coloca com sucesso um dímero de carbono C2 em um diamante C(110) superfície a 300 K (temperatura ambiente) e 80 K (temperatura do nitrogênio líquido), e que a variante de silício (DCB6Si) também funciona a 80 K, mas não a 300 K. Mais de 100.000 horas de CPU foram investidas neste último estudo. O motivo da dica de ferramenta DCB6, inicialmente descrito por Merkle e Freitas em uma Conferência Foresight em 2002, foi a primeira dica de ferramenta completa já proposta para mecanossíntese de diamante e continua sendo o único motivo de dica de ferramenta que foi simulado com sucesso para sua função pretendida em um diamante completo de 200 átomos superfície.
As dicas de ferramentas modeladas neste trabalho devem ser usadas apenas em ambientes cuidadosamente controlados (por exemplo, vácuo). Limites máximos aceitáveis para erros de posicionamento translacional e rotacional da dica de ferramenta são relatados em Peng et al. (2006) -- as dicas de ferramentas devem ser posicionadas com grande precisão para evitar a ligação incorreta do dímero. Peng e outros. (2006) relata que aumentar a espessura da alça de 4 planos de suporte de átomos C acima da dica de ferramenta para 5 planos diminui a frequência de ressonância de toda a estrutura de 2,0 THz para 1,8 THz. Mais importante ainda, as pegadas vibracionais de uma dica de ferramenta DCB6Ge montada em uma alça de 384 átomos e da mesma dica de ferramenta montada em uma "barra transversal" de 636 átomos similarmente restrita, mas muito maior; alça são virtualmente idênticas nas direções fora da barra transversal. Estudos computacionais adicionais modelando estruturas de alça ainda maiores são bem-vindos, mas a capacidade de posicionar com precisão as pontas SPM para a precisão atômica necessária foi repetidamente demonstrada experimentalmente em baixa temperatura, ou mesmo em temperatura ambiente, constituindo uma prova de existência básica para essa capacidade.
Mais pesquisas para considerar dicas de ferramentas adicionais exigirão química computacional demorada e trabalho de laboratório difícil.
Uma nanofábrica em funcionamento exigiria uma variedade de pontas bem projetadas para diferentes reações e análises detalhadas da colocação de átomos em superfícies mais complicadas. Embora isso pareça um problema desafiador considerando os recursos atuais, muitas ferramentas estarão disponíveis para ajudar futuros pesquisadores: a lei de Moore prevê aumentos adicionais no poder do computador, as técnicas de fabricação de semicondutores continuam se aproximando da nanoescala e os pesquisadores se tornam cada vez mais habilidosos no uso proteínas, ribossomos e DNA para realizar uma nova química.
Obras de ficção
- Em A Idade do Diamante por Neal Stephenson, diamante pode ser construído diretamente fora de átomos de carbono. Todos os tipos de dispositivos de detecção de tamanho de poeira para zeppelins de diamante gigantes são construídos átomos por átomo usando apenas átomos de carbono, oxigênio, nitrogênio e cloro.
- No romance Amanhã. por Andrew Saltzman (ISBN 1-4243-1027-X), um cientista usa nanorobotics para criar um líquido que quando inserido na corrente sanguínea, torna um quase invencível dado que as máquinas microscópicas reparam o tecido quase instantaneamente depois que é danificado.
- No jogo de RPG Splicers Por Palladium Books, a humanidade sucumbiu a uma " praga de Nanobot" que faz com que qualquer objeto feito de um metal não precioso torça e mude de forma (às vezes em um tipo de robô) momentos depois de ser tocado por um humano. O objeto vai então continuar a atacar o humano. Isso obrigou a humanidade a desenvolver dispositivos "biotecnológicos" para substituir aqueles previamente feitos de metal.
- No programa de televisão Teatro de Ciência Mistério 3000, os Nanites (voz várias vezes por Kevin Murphy, Paul Chaplin, Mary Jo Pehl e Bridget Jones) – são organismos auto-replicantes, bio-engenharia que trabalham no navio, são criaturas microscópicas que residem nos sistemas de computadores do Satellite of Love. (Eles são semelhantes às criaturas em Star Trek: The Next Generation episódio "Evolution", que contou com "nanites" assumindo Empresa.) Os Nanites fizeram sua primeira aparição na temporada 8. Baseado no conceito de nanotecnologia, seu cômico de alta qualidade atividades incluíram tarefas tão diversas como reparação instantânea e construção, cabeleireiro, realizando uma variação Nanita de um circo de pulgas, conduzindo uma guerra microscópica, e até mesmo destruindo o planeta dos Observadores após um pedido perigosamente vago de Mike para "cuidar de [um] pequeno problema". Eles também executaram uma microbrewery.
- Stargate Atlantis tem um inimigo feito de nanorobots auto-montagem, que também convertem um planeta em goo cinza.
- No romance "Prey" de Michael Crichton, nanobots auto replicação criam nano-swarms autônomos com comportamentos predatórios. O protagonista deve parar o enxame antes que evolua em uma praga goo cinza.
- Nos filmes Avengers Infinity War e Avengers Finalgame O fato de Homem de Ferro de Tony Stark foi construído usando nanotecnologia.
Obras de referência
- O principal trabalho de referência técnica sobre este tema é Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing e Computation, uma análise em profundidade baseada em física de uma classe particular de potencial nanomáquinas e sistemas de fabricação molecular, com amplas análises de sua viabilidade e desempenho. Nanosystems é de perto baseado na dissertação de doutorado MIT da Drexler, "Máquinas Moleculares e Fabricação com Aplicações à Computação". Ambos os trabalhos também discutem vias de desenvolvimento de tecnologia que começam com sonda de digitalização e tecnologias biomoleculares.
- Drexler e outros estenderam as ideias da nanotecnologia molecular com vários outros livros. Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution e. Unbounding the Future é um livro fácil de ler que introduz as ideias da nanotecnologia molecular de uma forma não técnica. Outros trabalhos notáveis na mesma veia são Nanomedicine Vol. I e Vol. IIA por Robert Freitas e Máquinas de auto-replicação Kinematic «KSRM Table of Contents Page» (em inglês). Máquina de montagem automática. Retrieved 2010-09-05. por Robert Freitas e Ralph Merkle.
- Nanotecnologia: Especulações Moleculares sobre Abundância Global Editado por BC Crandall (ISBN 0-262-53137-2) oferece ideias interessantes para aplicações MNT.
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