Останати технички предизвици за постигнување
Позитивно Diamondoid молекуларно производство
и Diamondoid Nanofactories

Верзија 1.3

 

Постојат голем број технички предизвици што мора да се надминат со цел да се демонстрира изводливоста на diamondoid молекуларно производство, молекуларни машински системи, нанокласна роботика и нанофакториуми. Основниот научен случај за изводливост првпат беше изнесен K. Eric Drexler во неговиот учебник за инженерско обележје Nanosystems (1992). Градење на работата на Дрекслер, Freitas се расправаше за техничката изводливост на медицинската нанороботика во неговата серија за технички книги Nanomedicine Vol. I (1999) и Nanomedicine Vol. IIA (2003), и Freitas и Merkle ја анализирале тековната состојба на уметноста во молекуларното производство во нивната техничка книга Кинематички авто-реплицирачки машини (2004).

Со концептот и потенцијалната корисност на молекуларните машински системи, добро воспоставени со оваа прелиминарна работа, техничката заедница сега почнува сериозно да ги испита овие предлози подетално за да ја процени нивната изводливост. Конструктивниот скептицизам на техничката заедница е посакуван и суштински за успехот на Nanofactory Collaboration. Само со интензивно фокусирање на огромен број детали за имплементација, може да се постигне поцелосно разбирање на предизвиците и ограничувањата на молекуларните машински системи.

Од 2001 година, ние составуваме поголем список на технички предизвици за спроведување на diamondoid молекуларно производство и молекуларни машински системи. Овој список, кој е долг, но речиси сигурно нецелосен, ги паралелира и ги вклучува пишаните грижи изразени во внимателни коментари од страна на Philip Moriarty во 2005 година и Richard Jones во 2006 г. Ги поздравуваме овие критики и ќе охрабриме понатамошни конструктивни коментари - и предлози за дополнителни технички предизвици што можеби сме ги занемариле - по слични линии од други.

Нашиот список претставува долгорочна стратегија за истражување што служи како директен одговор на неодамнешната (2006 година) call од страна на Комитетот за ревизија на NMAB / NRC, во нивните мандатни со Конгресно-мандат review на NNI, за поборници на „хемиска специфична локација за производство од големи размери“ до: (1) да разграничат пожелни насоки за истражување што веќе не ги следат заедницата за биохемија; (2) дефинирање и фокусирање на некои основни експериментални чекори кои се клучни за унапредување на долгорочните цели; и (3) да претстави некои „докази за принцип“ студии кои, доколку бидат успешни, ќе обезбедат знаење или инженерски демонстрации на клучните принципи или компоненти со непосредна вредност.

Ние би ги охрабриле заинтересираните истражувачи да се приклучат на Nanofactory Collaboration да ни помогнеме дефинитивно да ги решиме секој од преостанатите технички предизвици со извршување на потребните теоретски - а во некои случаи и експериментални - истраги.

Нашиот сегашен список на технички предизвици се организира во четири категории на техничките способности за кои веруваме дека се потребни за успешно достигнување на позициониран дијамантоиден молекуларно производство, овозможување нанофективен развој. Овој список е моментално најобемен во областа на дијамантска механосинтеза(DMS) од DMS беше примарен фокус на нашите први напори кои водат кон нанофункционална имплементација.

 

(I) Технички предизвици за дијамантска механинтеза

(А) Теоретско

(1) Дизајн и симулација на ДМС алатки

          (a) Потребни се пресметковни симулации на нови механосинтетички алатки

          (b) Потребни се пресметковни симулации на структурите за рачки со алатки кои имаат соодноси со висок аспект, што ќе овозможи блиска близина на местата за реакција на работното парче и (можеби повеќе) совети за алатки, додадени во близина на локацијата за реакција.

(2) Дизајн и симулација на интеракции со алатки-работно парче

          (a) Потребни се симулации на интеракции со алатки за работното парче со дијамантски површини (VASP или препорачан еквивалентен софтвер).

          (b) Потребна е анализа за оптимална траекторија за приодот за работното парче на алатки, оптимални релативни позициони конфигурации на алатките и работното парче, и мапирање на ковертите за работа со алатки во однос на експериментално контролираните параметри, како што се ротационата состојба со алатките, аглите на работната лента со алатки, и растојанијата од алатката.

          (c) Потребни се аналитички и статистички проценки за тоа дали основните DMS механохемијата е доволно сигурна за да се продолжи без проверка на грешки.

          (d) Потребно е сеопфатно броење и проценка на сите патолошки состојби што работното парче може да ги донесе за време на DMS реакција. Оваа анализа мора да вклучува ендо- / егзогеност на реакција во однос на посакуваната состојба, бариери за патолошки состојби и патолошки средно / преодни состојби што работното парче може да ги донесе за време на DMS реакција или после DMS реакцијата е завршена. Густината на дефектите на работното парче мора да се контролира и елиминира.

(3) Дизајн и симулација на интеракции со алатки-алатки

          (a) Потребни се студии за можна стерилна метеж меѓу проксимираните алатки. Многу групи кои работат на двојни системи за скенирање на сондата сонда, наидоа на фундаментални граници за тоа колку близу може да се постават две сонди, заради конечен радиус на искривување на постојните совети за сондата за скенирање. DMS режимите на дефект на тој начин може да вклучуваат стерилно спречување на посакуваните реакции, можна атомска реконструкција на структурите на рачката на алатките што се приближуваат многу заедно, и целосно механичко оштетување како резултат на судирот на врвот. Идеалната комбинација на алатки / рачки ќе има сооднос на висок аспект за да се овозможи максимално приближување на советите за алатки. Границите на оперативните коверти на тесно мешани совети за алатки мора да се измерат и теоретски и експериментално.

(4) Симулација на механосинтетички интеракции во реална вакуумска околина

          (a) Потребни се симулации и студии кои ги испитуваат упатствата за алатки со изложени радикални места кои се сместени во реални експериментални вакуумски околини. Треба проценка на ризикот од труење со радикално место како резултат на загадувачи на залутани страни и проценки на очекуваниот животен век на овие изложени радикални места во вакви вакуумски околини. Кое ниво на вакуум е минимум потребен за адекватен век на траење на алатките за да се овозможи изводливо DMS процеси? Дали некои веројатно загадувачи се полоши од другите?

          (b) Потребни се симулации и студии за испитување на работните парчиња и дијамантоидните површини со изложени радикални места што се сместени во реални експериментални вакуумски околини. Треба проценка на ризикот од труење со радикално место како резултат на загадувачи на залутани страни и проценки на очекуваниот животен век на овие изложени радикални места во вакви вакуумски околини. Кое ниво на вакуум е минимум потребен за соодветно работно парче или дијамантоиден век на траење на површината за да се овозможи изводливо DMS процеси? Дали некои веројатно загадувачи се полоши од другите?

          (c) Потребно е испитување на постојните вакуумски системи и достапност на ултра-високи вакууми. Исто така, треба проценка на веројатното зголемување на ризикот од загадување на работното место од извори, освен совети за алатки и работни делови, особено зачудувачки (десорпција) на загадувачки молекули од површини, рачки со алатки, заптивки или други механизми што можат да бидат присутни во обемот на работниот простор.

(5) Дизајн и симулација на цели секвенци на реакција DMS

          (a) Треба дизајн и симулација на DMS секвенци на реакција кои ги минимизираат работното парче, алатката и реконструкциите на средната структура и кои одржуваат соодветна пасивација на структурите на средното работно парче.

          (b) Треба да се дизајнираат и симулираат процедури за надополнување на алатките за испразнети упатства за алатки.

          (c) Потребно е концизно дефинирање на „минимален пакет алатки“ и минимална реакција поставена за основните DMS, вклучувајќи специфични секвенци на реакција за градење дијаманти, што е потребно и доволно за да се изградат едноставни структури на дијаманти ( Merkle (1997), Freitas (2007)).

          (d) Продолжување и изработка на „минимални алатки“ доволни за да се постигне продолжено DMS, вклучувајќи ја и позиционо контролираната измислица на конкавни, криви и затегнати школки дијамантоидни структури.

(6) Дизајн и симулација на DMS процедури над јаглеводороди

          (a) DMS мора да се прошири на атоми, освен Ц и Н - идеално обезбедување комбинација на блиска-нула густина на вртење на врската, високи дифузни бариери и насочни ковалентни врски.

(7) Преуредување и реконструкција на површините на работното парче

          (a) Дали малите дијамандоидни структури обично се предвидени за наномеханички делови (и нивните средни структури за време и по секоја DMS реакција во процесот на измислица) структурно стабилна или тие се преуредуваат? Неодамнешните истражувања за преуредувања на „нанодијамант“ ќе бидат поучни и треба да бидат детално разгледани, заедно со литературата, во која се опишани ефектите на Н пасивацијата / амортизацијата и температурата врз природата и зачестеноста на површинските реконструкции.

          (b) Ако овие мали дијамандоидни структури се преуредат, дали преуредувањето е редовно и сигурно, или случајно и мултиструктивно? Дали може да се изврши преуредување назад, на пр., Со презаситување на реконструираната површина, како со површината на дијамантот Ц (111)? Дали може да се игнорира преуредувањето, како во случајот со рачката со алатки, што се преуредува на познат, но релативно безопасен начин откако ќе се изработи (т.е. на начин што не влијае на веродостојноста на позитивно контролираната хемија што се одвива на врвот )?

          (c) Треба преглед на литература и дополнителни теоретски студии за склоноста на дијамандоидната површина да се подложат на графитизација и условите под кои може да се појави оваа структурна патологија.

          (d) Потребно е преглед на литература и дополнителни теоретски студии за склоноста и стапката на миграција на аспектите преку трите главни дијамантски површини, вклучително и миграција по структурите и аголните структури, околу вдлабнатини, и низ конвексни и конкавни региони, како функција од видот на аспектите и температурата на системот. Овие студии треба да вклучуваат анализа и квантификација на какви било бариери за површинска дифузија и миграција.

          (e) Потребна е студија за степенот до којшто фото-ексцитацијата доведува до погрешна реакција и преуредување на овие структури (и нивните посредници за време на измислицата).

          (f) Потребна е студија за степенот до кој присуството и геометриската дистрибуција на затегнатите врски и степенот на вирус, влијаат на реконструкцијата на малите дијамантоидни наночетоци и нивните меѓупросторни структури.

          (g) Соодветни квантни пресметки за хемија (на пр. аб иниција, Функционална теорија на густина) се потребни за да се утврди структурната и хемиската стабилност на целните делови на машината на дијамандоидите - давајќи стабилна структура во рамнотежа (структура со целокупната најниска слободна енергија). Симулациите на молекуларната механика не можат точно да го утврдат ова.

          (h) Симулации на молекуларна динамика кои користат квантна хемија (на пр. AIMD) се потребни за да се испита кинетичката стабилност на метастабилните структури. Метабилните структури се структури кои не се во рамнотежа, но имаат доволно мала веројатност за трансформација во (несакана) постабилна состојба дека тие сè уште можат да бидат корисни за практични наноинженеринг цели. Проценка на корисноста на метастабилните структури, бара пресметка на енергетската бариера што ја спречува реконструкцијата и се осигура дека енергијата достапна во системот (без разлика дали е термичка, механичка или друга) е недоволна за да го притисне метастабилниот систем над таа бариера.

         (i) Само многу мал подмножество на неистражени површини не реконструираат. Потребно е преглед на сите површини (и пасивирани и незасинети) за кои е познато дека не ги реконструираат. Ова ќе обезбеди ран список со цел за експериментални обиди DMS. Најпознатиот пример за површината што не се реконструира е површината на дијамант Ц (110). Последователниот поширок преглед на општата појава на реконструкција на површината ќе помогне да се даде приоритет на секундарниот целен список за идните механосинтетички експерименти. За оваа поширока студија, треба да се стави аналитички акцент на цврстата ковалентна керамика и сродните цврсти материи, како и на нанокластите со големина од 10 nm кои се најдиректно аналогни на предложените механички наночести, како што се брзините и лежиштата што може да содржат до 104 атоми.

          (j) Потребна е дефинитивна студија за да одредите дали чистата (ненаспалена) C (111) површина спонтано ќе се реконструира на или под собната температура и да се утврди под кој праг на температурата, доколку има, нема да се реконструира.

          (k) Треба да се измери влијанието врз DMS сигурност и повторливост на феномени за релаксација на површината, што се разликуваат од феномените за обнова на површината, на пр., како што е опишано од Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff et al (1994), Venables (2000), and Luth (2001). Ефектите за релаксација можат да бидат значајни кај многу дијамантоидни материјали, особено во случај на сафир (алумина, Al2O3) каде површинските релаксирања на јонските кислород можат да достигнат 50% од растојанието на слојот на шестоаголното (0001) лице.

(8) Дизајн и симулација на молекуларни системи за презентација на добиточна храна за DMS

          (a) Треба да се дизајнира и симулира презентација на молекули на добиточна храна врзани на фиксни површини, за лесно прибирање од страна на механосинтетички алатки за таложење, како и опсег на движења и процедури за стекнување на молекули од добиточна храна врз позиционирано контролирана алатка од површината за презентација на молекулите на сточна храна.

          (b) Алтернативно, врзувањето, транспортот низ бариералните површини и позиционирањето на првично позитивно неограничените течни или гасовити молекули на добиточна храна (на пр., Ацетилен или C2H2) треба да бидат истражени со цел да се дизајнираат места за врзување врз основа на главно врз молекуларни стерични (форма) својства што може да биде флексибилно дизајниран за употреба во системи за производство на молекула.

(B) ИСКУСТВО

(1) Општ дизајн и конструирање на високо-точни UHV системи за нано-изборување

          (a) Најитно потребната нова експериментална способност е развој на SPM систем за позиционирање со низок шум со прецизно позиционирање на под-Angstrom (0,2-0,5) во текот на патеките за микро-патување на 1 микрон, во комбинација со под-нанометарски прецизен координатен систем опфаќајќи најмалку десетици микрони.

          (b) Потребно е систем за позиционирање што ја минимизира хистерезијата и реакцијата, или што минимум се извршува на доволно повторлив начин за да се гарантира точност на поставување на алатки до 0,2-0,5 Ангромци.

          (c) Проширување на нано-системи со повеќекратни врсти, зголемување на степенот на слобода што е можно за позиционирање на еден молекула (на пр., Има ротација на работното парче и навалување на располагање за време на манипулации со настани) во раните системи, а можеби и во подоцнежните системи вклучена контрола на затворена јамка на систем со двојна AFM систем со најмалку 5 степени слобода по упатство за употреба (6 ДЕФ по совет ќе биде подобро да се осигураме дека можеме точно да ги усогласиме упатствата за алатки).

          (d) Мора да бидат обезбедени Ultraclean UHV опкружувања со минимална контаминација. Типичен UHV вакуум од 10-9 ~ torr ќе му даде на експериментаторот, во просек, 1000 seconds секунди пред да може да се појави труење со изложеност на изложено радикално место, како резултат на нарушување на атомите на загадувачките загадувачи, јони и молекули. Способноста да се работи во мали количини ќе помогне. На пример, вакуум од 1 нанотор во затворен 10,000 кубни микрони кутија содржи, во просек, далеку помалку од еден загадувачки молекул - што обично прави, во сила, совршен вакуум.

          (e) Компјутерската контрола на траекторијата, ротациите и позиционирањето мора да се изучува, со крајна цел за целосно автоматизирање на DMS процесирајте така што наноструктурите може да бидат фабрикувани според одреден план.

(2) Предизвици специфични за системите за нанопозиционирање на DMC

          (a) Потребни се нови методи за регистрација на позицијата и усогласување на алатката во однос на целната реакција на работното парче. Дури и исклучително мала неусогласеност во усогласувањето на алатката ќе резултира во несакана формација на врската. Во случај на мултиталк совети, секоја алатка мора да биде способна за прецизно усогласување и позиционирање над соодветното место за реактивно работно парче.

          (b) Потребна е повторлива регистрација на позицијата и усогласување на нова или возвратна алатка за повторно враќање, во однос на работното место, претходно посетено од алатката, со доволна точност за да се овозможи мала грешка DMS.

          (c) Потребна е повторлива ротација на алатката и навалување на нова или алатка за враќање, во однос на реактивната страница на работното парче, со доволна точност за да се овозможи мала грешка DMS. Мали промени во навалување на алатките се predicted за да се смени егзоеричноста на реакциите, бариерите на реакција и сигурноста на реакцијата

          (d) Треба да се осмислат методи за позиционирање на регистрација на проксимирани повеќе совети за алатки. Како може некој да лоцира една алатка, во однос на друга, да спроведе механосинтетички чекор што бара координирано дејствување на две или повеќе упатства за алатки? Ова прашање се однесува и на релативните позиции на алатките и за релативните ротации на алатките.

          (e) Експериментална способност за мултипип промена, ќе биде потребна за рано DMS системи за демонстрација. Тип на „мелница“ за подоцна генерација DMS системите може да користат работни парчиња и алатки приложени на подвижен транспортен систем што ги пренесува по однапред утврдени траектории за време на кои тие се испуштаат, а потоа се полнат, во повторлива секвенца.

          (f) Потребни се методи за да се обезбеди прецизна контрола врз хемијата и структурата на алатките, така што можни се специфични реакции со висок степен на сигурност.

(3) Експериментална измислица на совети за DMS

          (a) Треба proposals (и critiques на предлози) опишувајќи како да се изградат механинтетички совети со алатки со соодветни структури на рачки, користејќи техники кои се експериментално достапни денес. (Системите за подоцнежна генерација може да користат совети за алатки за правење совети, далеку побрз и поефикасен процес.)

          (b) Потребни се методи за да ги карактеризирате советите за алатки, откако ќе бидат измислени, без да ги уништувате или деактивирате. Ова ќе биде особено важно во раните фази на DMS експериментирање кога нашето искуство со (и разбирање на) вакви системи е во најниска врева.

(4) Експериментална позадина за DMS

          (a) Во областа на експериментот, ние бараме експерименталисти подготвени и способни да преземат лабораториски демонстрации од (1) едноставна DMS или (2) специфични потребни способности потребни за преземање на пософистицирани механосинтетички операции.

          (b) Потребно е преглед на експерименталната литература и секоја неопходна дополнителна експериментална работа за целосно карактеризирање на однесувањето на дијамантските површини Ц (111), Ц (110) и Ц (100) под различни услови што веројатно ќе се сретнат во текот на DMS.

          (c) Потребна е анализа за корисноста на условно тестирање на средно состојби на работното парче за време DMS fизмислица и од најсоодветните методи за тоа. Е регистрација на алатката / работното парче, комбинирано со позиционирање и мерење на повратни информации на сила при а DMS чекор на реакција, доволен за да се обезбеди сигурен DMS операции, или е условно тестирање и карактеризација на страницата за реакција на работното парче помеѓу секој чекор потребни за да се постигне прифатливо DMS доверливост? Се верува дека тестирањето на состојбите со средно работно парче може да биде од суштинско значење во раните фази на DMS експериментирање. Бидејќи искуството со овие системи расте и се акумулира знаење за нормалниот опсег на одговори за време на интеракциите со алатките - работното парче, може да биде можно во голема мерка да се елиминираат чекор-по-чекор тестирање, заменување на тестирање на крајниот производ и проверка на место за целите на контрола на квалитетот . Елиминацијата на чекор-по-чекор тестирање е веројатно клучна за масовна паралелизација и разместување на DMS-основани системи за изработка, особено системи од типот мелница.

(5) Експериментален доказ за принципот на доказ и раните демонстрации на DMS

          (a) Потребна е експериментална демонстрација на чисто механосинтетички (т.е., само механички сили, вклучени електрични полиња) H апстракција, по можност на дијамантска површина.

          (b) Потребна е експериментална демонстрација на чисто механосинтетичка H донација, по можност на дијамантска површина.

          (c) Потребна е експериментална демонстрација на чисто механосинтетички димер C2 (или друг едноставен јаглеводороден дел) поставен, по можност на дијамантска површина.

          (d) Потребна е експериментална демонстрација на чисто механосинтетичка секвенца од две или повеќе DMS реакции на или во близина на истата реактивна локација на истото работно парче - на пример, две соседни H апстракции на дијамантска површина, или поставување на димер C2 на C (110) проследено со H донација до претходно поставениот димер C2.

          (e) Потребна е експериментална демонстрација на способноста да се изврши повторлива секвенца на DMS операции на дијамантска површина, што резултира со проверлива измислица на нова дијамантоидна структура на таа површина.

          (f) Потребна е експериментална демонстрација на чисто механосинтетичка измислица на значајна 3Д дијамантоидна наноструктура.

          (g) Потребна е експериментална демонстрација на чисто механосинтетичка измислица на структура со 3Д заграден школка.

(6) Паралелизација на DMS

          (a) Потребна е експериментална демонстрација на способноста за H-пасивација или H-депасивирање, дијамантски површини на истовремено повеќе места преку паралелизирани низи за алатки.

          (b) Потребни се експериментални испитувања од други видови на механосинтетички операции кои демонстрираат барем потенцијал за масовна паралелизација на DMS алатки.

(7) Достапност на природни нано-делови за тестирање и измислица

          (a) Би било корисно да се има комплетна библиотека на адамантански структури што се јавуваат природно, каталогизирана според големината, геометриска структура, броење на атоми, сврзување / поврзување, достапност по екстракција од природна нафта и слично. Ова ќе ни каже што природно може да се појават „деловите“ во големи количини за понатамошна обработка во покомплексни наноструктури како што се лагери, запчаници и слично, или за тестирање на перформансите на системите за експериментално манипулаторно рана фаза.

          (b) Треба да се испита можноста за изградба на дијамантоидни наночетоци кои започнуваат со примитивите на градежните блокови од адамантан. Ако се докаже дека е можно, ова може да намали дел од потребата за прецизност DMS да бидат вработени во изработката на основните кафезни рамки на дијамантоидните наночетоци. Прецизност DMS сè уште ќе биде потребно за додавање или модификација на основните карактеристики на нанопартата на површината и за ковалентното спојување на адамантан примитивите во поголеми агрегати за време на процесот на измислување на дијамантоидниот нанопарт.