Нанофабрика Сотрудничество
Перевод статьи - Nanofactory Collaboration
Автор(ы) - Роберт Фрейтас (Robert Freitas)
Источник оригинальной статьи:
|
Что такое нанофабрика? Нанофабрика представляет собой предлагаемую компактную молекулярную производственную систему, возможно, достаточно маленькую, чтобы размещаться на рабочем столе, которая могла бы создать разнообразный выбор крупномасштабных атомарно точных алмазоидных продуктов.Нанофабрика представляет собой потенциально высококачественную, чрезвычайно дешевую и очень гибкую производственную систему. Основным входом в алмазоидную нанофабрику являются простые углеводородные исходные молекулы, такие как природный газ, пропан или ацетилен. Также могут потребоваться небольшие дополнительные количества нескольких других простых молекул, содержащих следовые атомы химических элементов, таких как кислород, азот или кремний. Нанофабрика должна быть снабжена электроэнергией и средствами для охлаждения рабочего блока. Основным продуктом первой коммерческой нанофабрики будут макромасштабные количества атомарно точных алмазоидных продуктов. Эти продукты могут включать в себя нанокомпьютеры , медицинские нанороботы , продукты, имеющие разнообразные применения в аэрокосмической и оборонной промышленности, устройства для производства дешевой энергии и восстановления окружающей среды , а также рог изобилия новых и улучшенных потребительских товаров. Медицинские применения имеют первостепенное значение, в том числе антивозрастная терапия иреанимация после крионического сохранения . Исследовательские нанофабрики предыдущего поколения будут производить значительно менее сложные продукты, но обеспечат эволюционный путь от первых простых рабочих станций DMS к более зрелым коммерческим системам. Нанофабрика - это молекулярная производственная система, использующая контролируемую молекулярную сборку, которая позволит создавать принципиально новые продукты, имеющие сложную сложность, которые в настоящее время встречаются только в биологических системах, но работают с большей скоростью, мощностью, надежностью и, что самое важное, полностью под управлением человека. контроль. Молекулярное производство может быть чрезвычайно чистым, эффективным и недорогим . Наша нанофабрика будет построена из тех же компонентов, что и сама. В то время как молекулярные производственные системы, сделанные из ДНК, других биополимеров или даже биологических организмов, возможны, такие системы были бы неспособны создавать продукты, которые приближаются к замечательной прочности, жесткости, температурному диапазону, легкости, электрическим, оптическим и другим свойствам, которые могут быть достигнуты с помощью diamondoid. материалы. Долгосрочная цель Nanofactory Collaboration - спроектировать и, в конечном итоге, построить работающую диамондоидную нанофабрику. «Убийственное приложение для цифрового производства - это личное производство - вещи, которые нельзя купить в Walmart. Что если вместо отправки энергии, вычислений и т. Д. По всему миру мы отправим средства для его создания? Поскольку обычные объекты становятся компьютеризированными и взаимосвязанными в меньшем и меньшем масштабе, мы приближаемся к нано-масштабам биологических систем. Мы на пороге производственной революции ». Отличное 1-часовое общее введение в молекулярную нанотехнологию, Ральф Меркл, здесь . |
|
|
|
Что такое Diamondoid? В первую очередь, алмазоидные материалы включают чистый алмаз. Алмаз - это кристаллический аллотроп углерода, который, возможно, является самым сильным веществом, известным человечеству. Обратите внимание, что здесь мы намерены производить молекулярные продукты и машины из алмаза, а не огромные драгоценные камни, такие как тот, что изображен справа. Крупные высококачественные драгоценные камни уже могут быть получены обычными объемными процессами, такими как сердечно-сосудистые заболевания, по цене порядка $ 100 / карат - для этого не нужны методы атомарно точного молекулярного производства. Диамондоидные материалы также могут включать любое жесткое ковалентное твердое вещество, которое сходно с алмазом по прочности, химической инертности или другим важным свойствам материала и обладает плотной трехмерной сеткой связей. Примерами таких материалов являются углеродные нанотрубки (показаны справа) или фуллерены, несколько сильных ковалентных керамик, таких как карбид кремния, нитрид кремния и нитрид бора, и несколько очень жестких ионных керамик, таких как сапфир (монокристаллический оксид алюминия), который может быть ковалентным связаны с чистыми ковалентными структурами, такими как алмаз. Чистые кристаллы алмаза хрупкие и легко ломаются. Сложная молекулярная структура алмазоидного нанофабричного продукта будет больше напоминать сложный композитный материал, а не хрупкий твердый кристалл. Такие продукты и нанофабрики, которые их строят, должны быть чрезвычайно долговечными при нормальном использовании. Большинство алмазоидных материалов, используемых для наномашиностроения, будут построены из атомов 12 элементов Периодической таблицы : углерода ( C ), кремния ( Si ) или германия ( Ge ) в группе IV, азота ( N ) или фосфора ( P ) в группе V кислород ( O ) или сера ( S ) в группе VI, фтор ( F ) или хлор ( Cl ) в группе VII, бор ( B ) или алюминий ( Al ) в группе III и, конечно, водород ( H ).Углерод является наиболее универсальным из этих элементов, поэтому мы сосредоточили наши первоначальные усилия на углеродных каркасах. Возможно, что недиамондоидные продукты, состоящие из одних и тех же химических элементов (например, обычных органических или биологических веществ), но состоящих из более традиционных « гибких » (нежестких) молекулярных структур, могут быть получены нанофабриками более поздних поколений, имеющих различную архитектуру. |
|
|
|
Какие продукты может предоставить нанофабрика? Потенциальное применение диамондоидных нанофабрик действительно далеко идущее. В качестве одного из важных примеров, продукция нанофабрик может внести существенные улучшения в наномедицину 21-го века. Возможно, к 2020-м годам молекулярное производство может позволить создание сложных диамондоидных медицинских нанороботов, таких как микробивор, показанный справа. Эти нанороботы могут быть использованы для поддержания оксигенации тканей при отсутствии дыхания, восстановления и восстановления сосудистого дерева человека, устранения болезней сердца и инсультов, выполнения сложных нанохирургических операций на отдельных клетках , обеспечения обширного личного мониторинга и мгновенного стойкого кровотечения после травматического повреждения. Другие медицинские нанороботы, такие как микробивор (показанный справа), быстро устранят микробные инфекции и рак , в то время как другие, такие как хромаллоцит , заменят целые хромосомы в отдельных клетках, таким образом устраняя последствия генетического заболевания и других накопленных повреждений наших генов, предотвращая старение Основные возможности и биосовместимость диамондоидных медицинских нанороботов были предварительно проанализированы в технической литературе, но предстоит еще много работы. «После 2015–2020 годов сфера деятельности расширится и будет включать молекулярные наносистемы - гетерогенные сети, в которых молекулы и супрамолекулярные структуры служат в качестве отдельных устройств. Белки внутри клеток работают вместе таким образом, но, хотя биологические системы основаны на воде и заметно чувствительны к температуре, эти молекулярные наносистемы будут способны работать в гораздо более широком диапазоне сред и должны быть намного быстрее. Компьютеры и роботы могут быть уменьшены до чрезвычайно маленьких размеров. Медицинские применения могут быть такими же амбициозными, как новые виды генетической терапии и антивозрастной терапии. Новые интерфейсы, связывающие людей напрямую с электроникой, могут изменить телекоммуникации ». «Некоторые из самых больших преимуществ нанотехнологий, таких как искусственные органы или системы наноробототехники [это] передовые возможности и приложения [которые], вероятно, потребуется 10-30 лет для разработки». |
|
|
|
Позиционное Diamondoid Молекулярное Производство Создание сложных механических диамоноидных наноструктур в макромасштабных количествах при низких затратах требует разработки новой технологии производства, называемой позиционным молекулярным производством диамондоидов. Предварительное обоснование технической осуществимости позиционного молекулярного производства диамондоидов было впервые изложено К. Эриком Дрекслером в его книге « Наносистемы» (1992). Позиционное молекулярное производство диамондоидов представляет собой предложенную новую наноразмерную технологию производства, которая может позволить построить работающие диамондоидные нанофабрики. Достижение этой новой технологии потребует разработки четырех тесно связанных технических возможностей : (1) алмазный механосинтез , (2) программируемая позиционная сборка , (3) массивно-параллельная позиционная сборка и (4) наномеханический дизайн . |
|
|
|
1 2 3 4 (1) Алмазный механосинтез (DMS) Алмазный механосинтез , или молекулярно-позиционное изготовление, представляет собой образование ковалентных химических связей с использованием точно приложенных механических сил для создания диамондоидных структур. DMS может быть автоматизирован через компьютерное управление, позволяя программировать молекулярное позиционное изготовление. В этом процессе механосинтетический инструмент поднимается на поверхность заготовки. Один или несколько переносящих атомов добавляются или удаляются из заготовки инструментом. Затем инструмент извлекается и перезаряжается. Этот процесс повторяется, медленно создавая желаемую структуру, пока наночастица не будет полностью изготовлена с атомной точностью, причем каждый атом находится в нужном месте. Обратите внимание, что атомы переноса постоянно находятся под полным контролем положения, чтобы предотвратить нежелательные побочные реакции. Рабочей средой для DMS часто считается сверхвысокий вакуум (UHV), хотя DMS, выполняемая в среде с благородным газом или другой химически инертной жидкой средой, немыслима. Используя автоматизированные всплывающие подсказки, выполняющие позиционно-управляемый DMS в длинных запрограммированных последовательностях шагов реакции , мы можем быть в состоянии изготовить простые ромбовидныенаномеханические детали, такие как подшипники, зубчатые колеса и соединения (такие как универсальный шарнир с универсальным углеводородным соединением, показанный справа) для атомная точность. Хотя вполне вероятно, что некоторые основные алмазоидныеструктуры могут быть получены с использованием методов самосборки из обычной синтетической химии, маловероятно, что структуры с высокой степенью деформации или сложного чередования могут быть изготовлены без использования какой-либо формы позиционного контроля. Узнайте больше о алмазном механосинтезе |
|
|
|
1 2 3 4 (2) Программируемая позиционная сборка Атомно точные наночастицы, после изготовления, должны быть перенесены с места изготовления и собраны в атомарно точные сложные компоненты, содержащие много наночастиц. Такие компоненты могут включать зубчатые передачи в корпусах (показано справа, любезно предоставлено Mark Sims из Nanorex ), датчики, двигатели, манипуляторы, генераторы энергии и компьютеры. Эти компоненты затем могут быть собраны, например, в сложную систему молекулярных машин, которая состоит из множества компонентов. Сложный медицинский наноробот микронного размера, такой как микробивор, построенный из таких атомарно точных компонентов, может содержать в своей структуре многие десятки тысяч отдельных компонентов, миллионы примитивных частей и многие миллиарды атомов. Концептуальная разделительная линия между изготовлением и сборкой иногда размыта, потому что во многих случаях будет возможно, даже предпочтительнее, изготовить номинально многокомпонентные компоненты как одну деталь, что позволит, например, двум зубчатым зацеплениям и их корпусу быть изготовленными как одна деталь запечатанный блок. Процесс позиционной сборки, как и в DMS , может быть автоматизирован с помощью компьютерного управления. Это позволяет проектировать позиционные сборочные станции, которые получают входные данные примитивных частей и собирают их в запрограммированных последовательностях шагов в готовые сложные компоненты. Затем эти компоненты можно транспортировать на вторичные сборочные линии, которые используют их в качестве входных данных для производства еще более крупных и сложных компонентов или готовых систем, аналогичных автомобильным сборочным линиям. Узнайте больше о программируемой позиционной сборке |
|
|
|
1 2 3 4 (3) Массивно параллельная позиционная сборка Недостаточно создать только одну атомарно точную деталь, компонент или медицинский наноробот. Чтобы нанофабрики были экономически жизнеспособными, мы должны иметь возможность собирать сложные наноструктуры в огромных количествах - в миллиарды или триллионы готовых единиц. Это потребует массово параллельных производственных систем с миллионами сборочных линий, работающих одновременно и параллельно, а не только по одной или нескольким из них одновременно, как со сборочными линиями на современных автомобильных заводах. К счастью, каждая производственная линия наносборок в нанофабрике в принципе может быть очень маленькой. Многие миллионы из них должны легко поместиться в очень маленький объем. Также потребуется массовое параллельное изготовление инструментов, рукояток DMS и связанного с ними оборудования для изготовления и сборки наноразмеров, включая использование массивно параллельных массивов манипуляторов или другого типа репликативной системы . Надежность - важная проблема дизайна. На сборочных линиях массивно параллельных производственных систем могут быть многочисленные избыточные меньшие сборочные линии, подающие компоненты на более крупные сборочные линии, так что отказ любой одной меньшей линии не может нанести вред большей. Организация параллельных производственных линий для максимальной эффективности и надежности для производства широкого ассортимента продукции является основным требованием в проектировании нанофабрик. Узнайте больше о массивно параллельной позиционной сборке |
|
|
|
1 2 3 4 (4) Наномеханический дизайн Должны быть созданы вычислительные инструменты для моделирования молекулярных машин, моделирования и управления производственными процессами, чтобы можно было разрабатывать проекты для деталей, компонентов и нанороботических систем из диамондоидов. Затем эти конструкции могут быть тщательно протестированы и уточнены при моделировании, прежде чем предпринимать более дорогостоящие экспериментальные усилия по их созданию. В настоящее время доступно программное обеспечение для моделирования и моделирования молекулярных машин, и библиотеки предварительно разработанных наночастиц постепенно собираются. Необходимо приложить больше усилий для крупномасштабного моделирования сложных наноразмерных компонентов машин, проектирования и моделирования последовательностей сборки и управления производственным процессом, а также общего проектирования и моделирования нанофабрики. Также будет полезно создавать графические изображения (подходящие для освещения на телевидении или в других средствах массовой информации, а также для лекций как для технической, так и для более широкой аудитории), показывающие: (1) различные реакции механосинтеза, (2) последовательности сборки, необходимые для выполнения некоторых выбранные компоненты молекулярной машины и (3) концептуальные иллюстрации и анимации на уровне систем нанофабрики диамондоидов . Эти изображения и анимация также полезны, чтобы помочь инженерам перейти от ранней концептуализации к более детальному проектированию и анализу. Узнайте больше о наномеханическом дизайне Также важно посвятить некоторые усилия изучению возможных применений молекулярного производства на основе нанофабрики, а также изучению влияния этой технологии на общество (экономическое, социальное, политическое, нормативное и т. Д.). Это поможет максимизировать потенциальные выгоды, которые могут быть получены, и снизить потенциальные риски, которые могут быть связаны с этой новой технологией, и поощрять ее ответственное использование. Узнайте больше о приложениях нанофабрики и социальном воздействии
|
|
|
|
Присоединяйтесь к нашему международному сотрудничеству! Предшественник Нанофабричного Сотрудничества был неофициально инициирован Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом осенью 2000 года во время их пребывания в Zyvex . Их постоянные усилия и усилия других в настоящее время переросли в прямое сотрудничество между 25 исследователями или другими участниками (включая 18 кандидатов наук или кандидатов наук) в 13 учреждениях в 4 странах (США, Великобритания, Россия и Бельгия), Начиная с 2010 года, наша группа включает в себя двух лауреатов премии Фейнмана, двух лауреатов премии Foresight Communication и двух лауреатов премии Foresight Distinguished Student Award. Что такое нанофабричное сотрудничество? В настоящее время мы являемся сплоченным сообществом ученых и других, которые работают вместе, если позволяют время и ресурсы, в различных групповых усилиях, когда эти команды выпускают многочисленные соавторские публикации , хотя с разрозненными источниками финансирования, не обязательно связанными с Сотрудничеством . Хотя не все участники могут в настоящее время рассматривать нанофабрику в качестве конечной цели своих нынешних исследований (или других) в связи с Сотрудничеством , многие действительно предполагают это, и даже те, кто в настоящее время не представляют эту конечную цель, тем не менее согласились провести исследование в сотрудничестве с другими участниками, которые, как мы считаем, внесут важный вклад в развитие алмазоидной нанофабрики , начиная с непосредственного развития DMS . Несмотря на то, что была проделана определенная работа по каждому из четырех основных возможностей, которые считались необходимыми для проектирования и создания функционирующей нанофабрики, в настоящее время наибольшее внимание исследователей сосредоточено на первой области: доказательство осуществимости, как теоретической, так и экспериментальной, достижения алмазного механосинтеза. , Каждый участник Сотрудничества в настоящее время самофинансируется или финансируется изнутри. Смотрите наш список прошлых и настоящих участников Сотрудничества . Смотрите наш полный список публикаций, связанных с Сотрудничеством . Мы стремимся к дополнительному сотрудничеству, чтобы расширить наши текущие теоретические и экспериментальные исследования. Список незавершенных задач огромен. Прочитайте наш список нерешенных технических проблем и нашу дорожную карту Нанофабрики, чтобы увидеть, где вы могли бы предложить помощь. |
|
|
|
Институт биохимической физики им. Эмануэля (Россия) |
||
|
Срочно необходимо финансирование исследований Срочно необходимы внешние исследовательские средства для расширения нашей работы и ускорения прогресса в достижении конечной цели создания функционирующей диамондоидной нанофабрики. Если вы хотите поддержать эту работу и хотите и можете выделить значительные финансовые ресурсы, пожалуйста, свяжитесь с Робертом Фрейтасом или Ральфом Мерклом, чтобы обсудить наиболее эффективное использование ваших ресурсов для сотрудничества с Нанофабрикой . Мы привыкли работать с ограниченным бюджетом и будем экономно использовать любые внесенные средства. Экономическая стоимость пожертвованного времени и оборудования, вложенного всеми участниками Сотрудничества в целенаправленные усилия, составляла около 0,2 млн. Долл. США в год в течение 2001-07 гг., Увеличиваясь до примерно 0,8 млн. Долл. США в год в 2008-10 гг., В основном благодаря прямой поддержке EPSRC экспериментальной работы Мориарти. работа втечение 2008-2013 гг. Идеальный уровень прямого финансирования для максимизации результатов в ближайшие 5 лет составляет 1-5 млн. Долл. США в год, но дополнительная поддержка в диапазоне 100 000 долл. США в год обеспечит ощутимый дополнительный прогресс. Справедливая проекция предполагает, что идеальные уровни финансирования доступны для целенаправленных усилий, таких как Нанофабричное сотрудничество , и что наш подход «Direct-to-DMS» является более предпочтительным, нежели более замысловатый подход к разработке, который направлен на реализацию менее эффективного недиамондоидного молекулярного производства. технологии, прежде чем перейти к Diamondoid . |
|
|
|
Нашей первоначальной практической целью является достижение первой экспериментальной демонстрации управляемого алмазного механосинтеза (один из основных этапов Дорожной карты и техническая задача ). Мы ожидаем, что это достижение может вызвать гораздо больший технический интерес к развитию DMS и нанофабрики, что приведет к значительным и растущим объемам основного корпоративного и государственного финансирования, направленного в эту область исследований, как только будет продемонстрировано, что более широкое видение производства диамондоидных молекул действительно технически возможно. Это ожидание подтверждается результатами санкционированного Конгрессом обзора Национальной инициативы по нанотехнологиям США, проведенного Национальным исследовательским советом (NRC) Национальных академий и Национальным консультативным советом по материалам (NMAB). Комитет по рассмотрению NMAB / NRC рассмотрел виды «восходящих» технологий, которые могут сделать возможными DMS и более сложные молекулярные производственные системы, и пришел к выводу, что « молекулярная самосборка возможна для изготовления простых материалов и устройств». Однако для изготовления более сложных материалов и устройств, в том числе сложных объектов, производимых в больших количествах, маловероятно, что простые процессы самосборки дадут желаемые результаты . Причина в том, что вероятность возникновения ошибки в какой-то момент процесса будет увеличиваться в зависимости от сложности системы и количества частей, которые должны взаимодействовать. Однако трудно надежно предсказать достижимый диапазон циклов химических реакций, частоту появления ошибок, скорость работы и термодинамическую эффективность ... восходящих производственных систем. Хотя теоретическая термодинамическая эффективность была рассчитана для таких систем, комитет не узнал о поддающихся проверке результатах экспериментов, которые могли бы обеспечить надежный прогноз выполнимости таких систем для использования в производстве. » Затем Комитет по рассмотрению NMAB / NRC однозначно рекомендовал продолжить экспериментальную работу в этой области и поддержать ее как ключевую веху в установлении осуществимости концепции: « Эксперименты, ведущие к демонстрациям, дающим основную правду для абстрактных моделей, подходят для лучшей характеристики потенциала для использование восходящих или молекулярных производственных систем, которые используют процессы более сложные, чем самосборка. » Следуя этой рекомендации, в 2007 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) объявило об объявлении широкого агентства (BAA), в котором запрашиваются предложения по изготовлению на основе наконечников для изготовления нанопроводов, нанотрубок или квантовых точек с использованием функционализированных наконечников сканирующих зондов. Подход к изготовлению, использующий позиционно-управляемый DMS, может, вероятно, решить проблемы, определенные DARPA в своем запросе.
|
|
Конкретные проектные предложения и текущая работа
|