Sfide tecniche rimanenti per il raggiungimento della
produzione molecolare di diamantini posizionali
e delle nanofabbriche di diamantini
Versione 1.3
Ci sono molte sfide tecniche che devono essere superate per dimostrare la fattibilità della produzione molecolare del diamante , dei sistemi di macchine molecolari, della robotica su scala nanometrica e delle nanofabbriche. Il caso scientifico di base per la fattibilità è stato presentato per la prima volta da K. Eric Drexler nel suo libro di testo di ingegneria di riferimento Nanosistemi (1992) . Basandosi sul lavoro di Drexler, Freitas ha sostenuto la fattibilità tecnica della nanorobotica medica nella sua serie di libri tecnici Nanomedicine Vol. I (1999) e Nanomedicina Vol. IIA(2003) e Freitas e Merkle hanno esaminato l’attuale stato dell’arte nella produzione molecolare nel loro libro tecnico Kinematic Self-Replicating Machines (2004) .
Con il concetto e la potenziale utilità dei sistemi di macchine molecolari ben stabiliti da questo lavoro preliminare, la comunità tecnica sta ora iniziando a esaminare seriamente queste proposte in modo più dettagliato per valutarne la fattibilità. Lo scetticismo costruttivo della comunità tecnica è desiderabile ed essenziale per il successo della Nanofactory Collaboration . È solo concentrandosi intensamente sulla miriade di dettagli dell’implementazione che è possibile ottenere una comprensione più completa delle sfide e dei limiti dei sistemi di macchine molecolari.
Dal 2001 abbiamo compilato un elenco crescente di sfide tecniche per l’implementazione della produzione molecolare del diamante e dei sistemi di macchine molecolari. Questo elenco, lungo ma quasi certamente incompleto, è parallelo e incorpora le preoccupazioni scritte espresse nei commenti ponderati di Philip Moriarty nel 2005 e Richard Jones nel 2006. Accogliamo con favore queste critiche e incoraggeremo ulteriori commenti costruttivi e suggerimenti per ulteriori sfide tecniche che potremmo aver trascurato – lungo linee simili da altri.
La nostra lista rappresenta una strategia di ricerca a lungo termine che serve come una risposta diretta al recente (2006), chiamata dal / NRC Review Committee NMAB , nella loro dal Congresso su mandato revisione del NNI, per i sostenitori della “ chimica site-specific per grandi -scale manufacturing ” per: (1) delineare direzioni di ricerca desiderabili non già perseguite dalla comunità biochimica; (2) definire e concentrarsi su alcuni passaggi sperimentali di base che sono fondamentali per avanzare obiettivi a lungo termine; e (3) delineare alcune ” prova di principio ” studi che, in caso di successo, fornirebbero conoscenze o dimostrazioni ingegneristiche di principi chiave o componenti di valore immediato.
Incoraggiamo i ricercatori interessati a unirsi alla Nanofactory Collaboration per aiutarci a risolvere definitivamente ciascuna delle restanti sfide tecniche eseguendo le necessarie indagini teoriche e, in alcuni casi, sperimentali.
Il nostro attuale elenco di sfide tecniche è organizzato nelle quattro categorie di capacità tecniche che riteniamo siano necessarie per il successo della produzione molecolare di diamantini posizionali , consentendo lo sviluppo di nanofabbrica. Questo elenco è attualmente più ampio nell’area della meccanosintesi del diamante (DMS) poiché il DMS è stato l’obiettivo principale dei nostri primi sforzi che hanno portato all’implementazione della nanofabbrica.
(I) Sfide tecniche per la meccanosintesi del diamante
(A) TEORICO
(1) Progettazione e simulazione di tooltip DMS
(a) Necessità di simulazioni computazionali di nuovi tooltip meccanosintetici
(b) Necessità di simulazioni computazionali delle strutture delle maniglie dei tooltip aventi rapporti di aspetto elevati che consentiranno una stretta vicinanza dei siti di reazione del pezzo e (possibilmente multipli) tooltip giustapposti vicino a un sito di reazione.(2) Progettazione e simulazione delle interazioni tooltip-pezzo
(a) Necessità di simulazioni delle interazioni punta utensile-pezzo con superfici diamantate (si consiglia VASP o software equivalente).
(b) Necessità di analisi delle traiettorie ottimali di approccio utensile-pezzo, delle configurazioni posizionali relative ottimali degli utensili e del pezzo e mappatura degli inviluppi di lavoro del tooltip relativi a parametri controllabili sperimentalmente come lo stato di rotazione del tooltip, gli angoli del tooltip-pezzo e le distanze tooltip-pezzo.
(c) Necessità di valutazioni analitiche e statistiche sull'affidabilità della meccanochimica di base del DMS per procedere senza il controllo degli errori.
(d) Necessità di un'enumerazione e una valutazione complete di tutti gli stati patologici che il pezzo può assumere durante una reazione DMS . Questa analisi deve includere l'endo-/esoergicità della reazione relativa allo stato desiderato, le barriere agli stati patologici e gli stati patologici intermedi/transizionali che il pezzo può adottare durante la reazione DMS o dopo che la reazione DMS è completa. Le densità dei difetti del pezzo devono essere controllate ed eliminate.(3) Progettazione e simulazione di interazioni utensile-utensile
(a) Necessità di studi sulla possibile congestione sterica tra i tooltip vicini. Molti gruppi che stanno lavorando su sistemi di sonde di scansione a doppia sonda hanno riscontrato limiti fondamentali su quanto vicino possono essere posizionate due sonde, a causa del raggio finito di curvatura delle punte delle sonde di scansione esistenti. DMS le modalità di guasto, quindi, possono includere l'impedimento sterico delle reazioni desiderate, la possibile ricostruzione atomica delle strutture dell'impugnatura del tooltip che sono avvicinate troppo l'una all'altra e il danno meccanico totale dovuto all'urto della punta. La combinazione ideale di tooltip/handle avrà un rapporto di aspetto elevato per consentire la massima approssimazione dei tooltip. I confini degli inviluppi operativi di tooltip strettamente giustapposti devono essere quantificati sia teoricamente che sperimentalmente.(4) Simulazione di interazioni meccanosintetiche in un ambiente vuoto realistico
(a) Hai bisogno di simulazioni e studi che esaminino i tooltip con siti radicali esposti che sono collocati in ambienti di vuoto sperimentali realistici. Necessità di valutazione del rischio di avvelenamento da siti radicali a causa di contaminanti vaganti e stime della durata prevista di questi siti radicali esposti in tali ambienti sotto vuoto. Qual è il livello di vuoto minimo richiesto per una durata adeguata dei tooltip per consentire processi DMS fattibili ? Alcuni probabili contaminanti sono peggiori di altri?
(b) Hai bisogno di simulazioni e studi che esaminino pezzi in lavorazione e superfici diamantate con siti radicali esposti che sono collocati in ambienti di vuoto sperimentali realistici. Necessità di valutazione del rischio di avvelenamento da siti radicali a causa di contaminanti vaganti e stime della durata prevista di questi siti radicali esposti in tali ambienti sotto vuoto. Qual è il livello di vuoto minimo richiesto per un'adeguata durata del pezzo o della superficie diamantata per consentire processi DMS fattibili ? Alcuni probabili contaminanti sono peggiori di altri?
(c) Necessità di un'indagine sui sistemi di vuoto esistenti e sulla disponibilità di vuoto ultraelevato. È inoltre necessaria la valutazione del probabile aumento del rischio di contaminazione dell'area di lavoro da fonti diverse da tooltip e pezzi, in particolare degassamento (desorbimento) di molecole contaminanti da superfici, maniglie delle tooltip, guarnizioni o altri meccanismi che potrebbero essere presenti all'interno del volume dell'area di lavoro.(5) Progettazione e simulazione di intere sequenze di reazioni DMS
(a) Necessità di progettazione e simulazione di sequenze di reazione DMS che minimizzino le ricostruzioni di pezzi, tooltip e strutture intermedie e che mantengano un'adeguata passivazione delle strutture intermedie dei pezzi.
(b) Necessità di progettare e simulare procedure di ricarica dei tooltip per i tooltip scaricati.
(c) Necessità di una definizione concisa di un "set di strumenti minimo" e di un set di reazioni minimo per DMS di base , comprese specifiche sequenze di reazione per la costruzione del diamante, necessarie e sufficienti per costruire semplici strutture di diamante (ad es. Merkle (1997) , Freitas (2007) ) ).
(d) Estensione ed elaborazione di "set di strumenti minimi" sufficienti per ottenere DMS esteso , inclusa la fabbricazione controllata dalla posizione di strutture diamantate concave, curve e a guscio deformato.(6) Progettazione e simulazione di procedure DMS oltre gli idrocarburi
(a) Il DMS deve essere esteso ad atomi diversi da C e H, garantendo idealmente una combinazione di densità di legami penzolanti vicina allo zero, barriere ad alta diffusione e legami covalenti direzionali.(7) Riorganizzazione e ricostruzione delle superfici del pezzo
(a) Le piccole strutture diamantate comunemente previste per le parti nanomeccaniche (e le loro strutture intermedie durante e dopo ogni reazione DMS nel processo di fabbricazione) sono strutturalmente stabili o si riorganizzano? Le ricerche recenti sui riarrangiamenti "nanodiamanti" saranno istruttive e dovrebbero essere ampiamente riviste, insieme alla letteratura che descrive gli effetti della passivazione/depassivazione dell'H e della temperatura sulla natura e sulla frequenza delle ricostruzioni superficiali.
(b) Se queste piccole strutture diamantate si riorganizzano, il riarrangiamento è regolare e affidabile, o casuale e multistrutturale? Il riarrangiamento può essere invertito, ad esempio, mediante ripassivazione della superficie ricostruita, come con la superficie del diamante C(111)? Il riarrangiamento può essere ignorato, come nel caso di un manico di tooltip che si riorganizza in un modo noto ma relativamente innocuo dopo che è stato fabbricato (cioè, in un modo che non pregiudica l'affidabilità della chimica controllata dalla posizione che ha luogo sulla punta? )?
(c) Necessità di una revisione della letteratura e studi teorici supplementari sulla propensione della superficie del diamante a subire la grafitizzazione e le condizioni in cui può verificarsi questa patologia strutturale.
(d) Necessità di una revisione della letteratura e di studi teorici supplementari sulla propensione e sulla velocità di migrazione delle specie adattive attraverso le tre superfici principali del diamante, comprese anche le migrazioni lungo le strutture sporgenti e angolari, attorno ai bordi dei fori e attraverso regioni convesse e concave, in funzione del tipo di specie e della temperatura del sistema. Questi studi dovrebbero includere un'analisi e una quantificazione di eventuali barriere alla diffusione superficiale e alla migrazione.
(e) Necessità di uno studio della misura in cui la fotoeccitazione porta alla reazione errata e al riarrangiamento di queste strutture (e dei loro intermedi durante la fabbricazione).
(f) Necessità di uno studio della misura in cui la presenza e la distribuzione geometrica dei legami deformati, e il grado di deformazione, influenzano la ricostruzione di piccole nanoparti di diamante e delle loro strutture intermedie.
(g) Sono necessari calcoli di chimica quantistica adeguati (ad es. ab initio , teoria funzionale della densità) per determinare la stabilità strutturale e chimica delle parti della macchina diamantate target, ottenendo la struttura stabile all'equilibrio (la struttura con l'energia libera complessiva più bassa). Le simulazioni di meccanica molecolare da sole non possono determinarlo con precisione.
(h) Sono necessarie simulazioni di dinamica molecolare che utilizzano la chimica quantistica (ad es. AIMD) per sondare la stabilità cinetica delle strutture metastabili. Le strutture metastabili sono strutture che non sono in equilibrio ma che hanno una probabilità abbastanza bassa di trasformarsi in uno stato (indesiderato) più stabile da poter essere ancora utili per scopi pratici di nanoingegneria. La valutazione dell'utilità delle strutture metastabili richiede il calcolo della barriera energetica che impedisce la ricostruzione e la garanzia che l'energia disponibile nel sistema (termica, meccanica o altro) sia insufficiente per spingere il sistema metastabile oltre tale barriera.
(i) Solo un piccolissimo sottoinsieme di superfici non terminate non si ricostruisce. È necessaria una revisione di tutte le superfici (sia passivate che non passivate) che è noto non ricostruire. Ciò fornirà un primo elenco di obiettivi per i tentativi sperimentali al DMS. L'esempio più noto di superficie non ricostruttiva è la superficie del diamante C(110). Una successiva revisione più ampia del fenomeno generale della ricostruzione della superficie aiuterebbe a dare priorità all'elenco di obiettivi secondari per la futura sperimentazione meccanosintetica. Per questo studio più ampio, dovrebbe esserci un'enfasi analitica sulle ceramiche covalenti rigide e sui solidi correlati e sui nanocluster di dimensioni <10 nm che sono più direttamente analoghi alle nanoparti meccaniche proposte come ingranaggi e cuscinetti che possono contenere fino a 10 4 atomi ciascuno .
(j) È necessario uno studio definitivo per determinare se la superficie pulita (non passivata) C(111) si ricostruirà spontaneamente alla o al di sotto della temperatura ambiente e per determinare al di sotto di quale soglia di temperatura, se presente, non ricostruirà.
(k) Necessità di quantificare l'impatto sull'affidabilità e ripetibilità del DMS dei fenomeni di rilassamento superficiale, distinti dai fenomeni di ricostruzione superficiale, ad esempio, come descritto da Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff et al (1994), Venables (2000 ), e Luth (2001). Gli effetti di rilassamento possono essere significativi in molti materiali diamantati, in particolare nel caso dello zaffiro (allumina, Al 2 O 3 ) dove i rilassamenti superficiali degli ioni di ossigeno possono raggiungere ~ 50% della spaziatura degli strati sulla faccia esagonale (0001).(8) Progettazione e simulazione di sistemi di presentazione di materie prime molecolari per DMS
(a) Necessità di progettare e simulare la presentazione di molecole di materia prima legate a superfici fisse, per un facile prelievo da parte di strumenti di deposizione meccanosintetici, nonché la gamma di movimenti e procedure per l'acquisizione di molecole di materia prima su un tooltip controllato in posizione da una superficie di presentazione della molecola di materia prima .
(b) In alternativa, il legame, il trasporto attraverso le superfici barriera e il posizionamento di molecole di carica liquide o gassose inizialmente non vincolate dalla posizione (ad es. acetilene o C 2 H 2 ) dovrebbero essere esplorati in vista della progettazione di siti di legame basati principalmente su proprietà steriche (di forma) che possono essere progettate in modo flessibile per l'uso in sistemi di produzione molecolare.(B) SPERIMENTALE
(1) Progettazione generale e costruzione di sistemi di nanoposizionamento UHV ad alta precisione
(a) La nuova capacità sperimentale più urgente è lo sviluppo di un sistema di posizionamento SPM a basso rumore con precisione di posizionamento sub-Angstrom (0.2-0.5 ) altamente ripetibile su percorsi di andata e ritorno di 1 micron, accoppiato con un sub-nanometro sistema di coordinate di precisione che copre almeno decine di micron.
(b) È necessario un sistema di posizionamento che riduca al minimo l'isteresi e il gioco, o che al minimo funzioni in modo sufficientemente ripetibile da garantire una precisione di posizionamento del tooltip di 0,2-0,5 Angstrom.
(c) Estensione dei sistemi di nanoposizionamento a più punte, aumentando i gradi di libertà possibili per il posizionamento di singole molecole (ad esempio, avendo la rotazione e l'inclinazione del pezzo disponibili durante gli eventi di manipolazione) nei primi sistemi, e possibilmente per includere, nei sistemi successivi, il sistema chiuso controllo del loop di un sistema AFM a doppia punta con almeno 5 gradi di libertà per tooltip (6 DOF per punta sarebbe meglio per garantire che possiamo allineare con precisione i tooltip).
(d) Devono essere forniti ambienti UHV ultrapuliti con una contaminazione minima. Un tipico vuoto UHV di ~ 10 -9 torr darebbe allo sperimentatore, in media, ~ 1000 secondi prima che si verifichi l'avvelenamento di un sito radicale esposto a causa di un impatto di atomi, ioni e molecole contaminanti vaganti. La capacità di lavorare all'interno di piccoli volumi aiuterebbe. Ad esempio, un vuoto di 1 nanotorr all'interno di una scatola chiusa da 10.000 micron cubi contiene, in media, molto meno di una molecola contaminante, creando di solito un vuoto perfetto.
(e) Deve essere studiato il controllo computerizzato di traiettorie, rotazioni e posizionamento, con l'obiettivo finale di automatizzare completamente il processo DMS in modo che le nanostrutture possano essere fabbricate secondo un particolare progetto.(2) Sfide specifiche dei sistemi di nanoposizionamento DMS
(a) Necessità di nuovi metodi di registrazione della posizione e allineamento del tooltip rispetto al sito di reazione target sul pezzo. Anche una discrepanza estremamente piccola nell'allineamento del tooltip risulterà in una formazione di legame indesiderata. Nel caso di una punta multiutensile, ogni utensile deve essere in grado di allinearsi e posizionarsi con precisione sul sito reattivo del pezzo corretto.
(b) Necessità di registrazione posizionale ripetibile e allineamento di un tooltip riposizionato nuovo o di ritorno, relativo a un sito del pezzo precedentemente visitato da un tooltip, con una precisione sufficiente per consentire DMS a basso errore .
(c) È necessaria la rotazione e l'inclinazione ripetibili del tooltip di un tooltip nuovo o di ritorno, rispetto a un sito reattivo del pezzo, con una precisione sufficiente per consentire un DMS a basso errore . Si prevede che piccoli cambiamenti nell'inclinazione del tooltip alterino l'esoergicità della reazione, le barriere di reazione e l'affidabilità della reazione.
(d) Necessità di ideare metodi per la registrazione posizionale di tooltip multipli vicini. Come si individua uno strumento, rispetto a un altro, per eseguire un passaggio meccanosintetico che richiede l'azione coordinata di due o più tooltip? Questo problema si applica sia alle posizioni relative delle descrizioni comandi che alle relative rotazioni delle descrizioni comandi.
(e) Per i primi sistemi dimostrativi DMS sarà necessaria la capacità sperimentale per il cambio multipunta . I sistemi DMS di tipo "mulino" di ultima generazione potrebbero impiegare pezzi e strumenti fissati a un sistema di trasporto mobile che li convoglia lungo traiettorie predeterminate durante le quali vengono scaricati, quindi ricaricati, in una sequenza ripetitiva.
(f) Necessità di metodi per garantire un controllo preciso sulla chimica e sulla struttura del tooltip in modo che reazioni specifiche siano possibili con un alto grado di affidabilità.(3) Fabbricazione sperimentale di punte DMS
(a) Necessità di proposte (e critiche di proposte) che descrivano come costruire tooltip meccanosintetici con strutture di maniglie appropriate, utilizzando tecniche che sono oggi sperimentalmente accessibili. (I sistemi di generazione successiva possono utilizzare i tooltip per creare tooltip, un processo molto più rapido ed efficiente.)
(b) Necessità di metodi per caratterizzare i tooltip, una volta che sono stati fabbricati, senza distruggerli o inattivarli. Ciò sarà particolarmente importante nelle prime fasi della sperimentazione DMS , quando la nostra esperienza (e comprensione di) tali sistemi è al minimo.(4) Contesto sperimentale per DMS
(a) Nell'area sperimentale, stiamo cercando sperimentatori disposti e in grado di intraprendere dimostrazioni di laboratorio di (1) semplice DMS o (2) specifiche capacità richieste necessarie per intraprendere operazioni meccanosintetiche più sofisticate.
(b) Necessità di una revisione della letteratura sperimentale e di qualsiasi lavoro sperimentale supplementare necessario per caratterizzare completamente il comportamento delle superfici del diamante C(111), C(110) e C(100) in varie condizioni che si possono incontrare durante il DMS .
(c) Necessità di un'analisi dell'utilità del test condizionale degli stati intermedi del pezzo durante la fabbricazione del DMS e dei metodi più appropriati per farlo. La registrazione di tooltip/pezzo, combinata con misurazioni di posizione e feedback di forza durante una fase di reazione DMS , è sufficiente per garantire operazioni DMS affidabili , oppure il test condizionale e la caratterizzazione del sito di reazione del pezzo tra ciascuna fase sono necessarie per ottenere un'affidabilità DMS accettabile ? Si ritiene che il test degli stati intermedi del pezzo possa essere essenziale nelle prime fasi del DMSsperimentazione. Man mano che l'esperienza con questi sistemi cresce e la conoscenza viene accumulata sulla normale gamma di risposte durante le interazioni tooltip-pezzo, può essere possibile eliminare in gran parte i test passo-passo, sostituendo i test sul prodotto finale e i controlli a campione per scopi di controllo della qualità . L'eliminazione dei test passo-passo è probabilmente la chiave per la parallelizzazione massiccia e l'aumento di scala dei sistemi di fabbricazione basati su DMS , in particolare i sistemi di tipo industriale .(5) Prova di principio sperimentale e primi benchmark dimostrativi DMS
(a) Necessita di una dimostrazione sperimentale dell'astrazione H puramente meccanosintetica (cioè solo forze meccaniche, nessun campo elettrico coinvolto), preferibilmente su una superficie di diamante.
(b) Necessità di una dimostrazione sperimentale di donazione di H puramente meccanosintetica, preferibilmente su una superficie diamantata.
(c) Necessità di una dimostrazione sperimentale del posizionamento del dimero C 2 puramente meccanosintetico (o altra semplice frazione idrocarburica), preferibilmente su una superficie diamantata.
(d) Necessità di una dimostrazione sperimentale di una sequenza puramente meccanosintetica di due o più reazioni DMS su o vicino allo stesso sito reattivo sullo stesso pezzo, ad esempio due astrazioni H adiacenti su una superficie di diamante o un posizionamento di dimero C 2 su C( 110) seguita da donazione di H sul dimero C 2 precedentemente posizionato .
(e) Necessità di una dimostrazione sperimentale della capacità di eseguire una sequenza ripetibile di operazioni DMS su una superficie di diamante, con conseguente fabbricazione verificabile di una nuova struttura di diamante su quella superficie.
(f) Necessità di una dimostrazione sperimentale di una fabbricazione puramente meccanosintetica di una significativa nanostruttura di diamante 3D.
(g) Necessità di una dimostrazione sperimentale di una fabbricazione puramente meccanosintetica di una struttura diamantata a guscio deformata 3D.(6) Parallelizzazione DMS
(a) È necessaria una dimostrazione sperimentale della capacità di H-passivare, o H-depassivare, superfici di diamante in più siti simultanei tramite array di tooltip parallelizzati.
(b) Necessità di prove sperimentali di altri tipi di operazioni meccanosintetiche che dimostrino almeno il potenziale per una massiccia parallelizzazione dei tooltip DMS .(7) Disponibilità di nanoparti naturali per test e fabbricazione
(a) Sarebbe utile avere una libreria completa di strutture adamantane presenti in natura, catalogate in base a dimensione, struttura geometrica, numero di atomi, legame/connettività, disponibilità dopo l'estrazione dal petrolio naturale, e così via. Questo ci direbbe quali "parti" naturali potrebbero essere prontamente disponibili in grandi quantità per ulteriori elaborazioni in nanostrutture più complesse come cuscinetti, ingranaggi e simili, o per testare le prestazioni dei sistemi di manipolazione sperimentali in fase iniziale.
(b) Dovrebbe essere studiata la possibilità di costruire nanoparti diamantate partendo da primitive di blocchi di adamantano. Se si dimostrasse possibile, ciò potrebbe ridurre parte della necessità di utilizzare DMS di precisione nella produzione delle strutture di base delle gabbie di nanoparti di diamante. Il DMS di precisione sarebbe ancora necessario per l'aggiunta o la modifica delle caratteristiche essenziali della superficie delle nanoparti e per l'unione covalente delle primitive di adamantano in aggregati più grandi durante il processo di fabbricazione delle nanoparti di diamante.(II) Sfide tecniche per l’assemblaggio posizionale programmabile
(A) TEORICO
(1) Design della pinza Nanopart
(a) Pinze controllate in posizione devono essere progettati in grado di afferrare e quindi manipolare le nanoparti finite, sia per trasportarle altrove o per manipolarle ulteriormente in una serie di fasi di assemblaggio, come un'operazione di inserimento delle parti (un piolo spinto in un foro complementare) o altre operazioni di assemblaggio simili, in cui piccole parti sono combinate meccanicamente per creare nanoparti composte più grandi che includono il legame di van der Waals. Gli strumenti manipolati destinati ad essere utilizzati allo scopo di costruire nanomacchine composte dalle loro parti componenti potrebbero essere significativamente diversi nella progettazione dagli strumenti manipolati destinati ad essere utilizzati per la meccanosintesi. Per esempio,
(b) Necessità di metodi per attaccare la pinza al sistema di posizionamento fine mantenendo la rigidità e la capacità di azionare la pinza.
(c) È necessaria la capacità di scambiare un meccanismo di presa con un altro sulla punta dell'SPM. Ciò implica un requisito corollario per la progettazione di strutture di deposito per il comodo stoccaggio temporaneo e il recupero di meccanismi di presa inutilizzati.(2) Design dell’attuatore del manipolatore Nanopart
(a) Necessità di progetti per attuatori molecolari e su scala nanometrica. Questi progetti dovrebbero essere generati in considerazione della necessità di una futura integrazione su larga scala degli attuatori in macchinari su scala nanometrica e dovrebbero includere la considerazione di possibili futuri sistemi multi-attuatore.(3) Progettazione e simulazione di sistemi di presentazione delle materie prime in nanoparti
(a) Necessità di progettare e simulare la presentazione di nanoparti legate a superfici fisse, per un facile prelievo da strumenti di assemblaggio, nonché la gamma di movimenti e procedure per l'acquisizione di nanoparti su uno strumento di assemblaggio controllato in posizione da una superficie di presentazione di nanoparti.
(b) In alternativa, il legame, il trasporto attraverso le superfici barriera e il posizionamento di nanoparti inizialmente non vincolate dalla posizione che galleggiano in un fluido vettore liquido o gassoso dovrebbero essere esplorati in vista della progettazione di siti di legame delle nanoparti che possono essere progettati in modo flessibile per l'uso in molecole sistemi di produzione.(4) Progettazione e simulazione delle superfici di rilascio del pezzo
(a) Necessità di analisi su come costruire nanoparti e/o le loro strutture intermedie su pilastri o superfici staccabili, quindi prelevarle.(5) Progettazione e simulazione di sequenze di assemblaggio di nanoparti
(a) Necessità di progettare le sequenze delle fasi di assemblaggio necessarie per assemblare una specifica raccolta di parti in uno specifico oggetto assemblato, per piano di progetto. Ciò include dovrebbe includere i movimenti relativi all'acquisizione delle parti e allo stivaggio dell'oggetto del prodotto finito nelle aree di deposito.(6) Riarrangiamenti atomici in nanoparti giustapposte
(a) Necessità di analisi di chimica quantistica e dinamica molecolare di possibili ricostruzioni (e stabilità chimica) di nanoparti in movimento che sono poste in intimo contatto con altre nanoparti in movimento durante le operazioni di assemblaggio.(B) SPERIMENTALE
(1) Sviluppo della tecnologia SPM per consentire il lavoro di assemblaggio di nanoparti
(a) Necessità di pinze reversibili in nanoparti come effettori finali sulle punte SPM. Le pinze devono essere in grado di essere azionate a distanza e/o condizionate.
(b) I sistemi SPM da utilizzare per lavori di assemblaggio possono richiedere una minore precisione di posizionamento ma una capacità di applicare forze maggiori e in direzioni più complesse (ad esempio, movimenti di torsione che applicano coppie circolari o elicoidali, movimenti di filettatura/inserimento, ecc.) . Realizzare un prodotto atomicamente preciso con nanoparti su scala nanometrica non richiede precisione atomica nel posizionamento delle nanoparti, ma solo una precisione posizionale sufficiente per distinguere la struttura di assemblaggio desiderata dalle strutture di assemblaggio patologiche adiacenti.
(c) Deve sviluppare un metodo di attuazione che può essere facilmente controllato in parallelo e potenzialmente scalabile.(2) Fabbricazione e test delle superfici di rilascio del pezzo in lavorazione
(a) Servono parti progettate per una facile presa e manipolazione.
(b) Hai bisogno di schemi di presentazione delle parti efficienti.
(c) Indagare la possibilità di un'adesività controllata delle parti durante l'assemblaggio controllato dalla posizione.
(d) Indagare la possibilità di pallettizzazione di nanoparti.
(e) Indagare la possibilità di fabbricazione di nanoparti basate su DMS su una superficie sacrificale che viene dissolta, rilasciando nanoparti in un fluido vettore.(3) Test di principio sperimentale e benchmark dimostrativi di assemblaggio posizionale precoce
(a) Necessità di una dimostrazione sperimentale della capacità di trovare e recuperare con precisione nanoparti di input da una superficie di presentazione delle parti o da un deposito di parti.
(b) Necessità di una dimostrazione sperimentale dell'unione puramente meccanica di due o più nanoparti in un oggetto prodotto più complesso.
(c) Necessità di una dimostrazione sperimentale della capacità di posizionare stabilmente gli oggetti del prodotto finito assemblato su una superficie di stoccaggio del prodotto o un deposito di prodotto, in una posizione e orientamento noti.
(d) Necessità di una dimostrazione sperimentale di operazioni di inserimento e/o filettatura puramente meccanosintetiche.
(e) Necessità di una dimostrazione sperimentale della capacità di acquisire due oggetti prodotto e unirli insieme per formare un oggetto prodotto più complesso.(III) Sfide tecniche per l’assemblaggio posizionale massicciamente parallelo
(1) Massiccia parallelizzazione di tooltip e sistemi reattivi DMS
(a) Analisi dei bisogni e proposte per la parallelizzazione del DMS . L'obiettivo di rendere operativa la meccanosintesi deve logicamente precedere (come obiettivo di ricerca) l'obiettivo di rendere la meccanosintesi massicciamente parallelizzata.
(b) Necessità di analisi e proposte su come costruire manipolatori altamente precisi con elevata ripetibilità e stabilità, possibilmente con DOF multipli sulla punta, che possono essere disposti in array paralleli per consentire l' elaborazione DMS parallela dei pezzi. Questi potrebbero essere in grado di fungere da componenti principali dei sistemi di produzione ad alto rendimento. Tali array non sono gli SPM di oggi, ma potrebbero essere i discendenti tecnologici degli SPM di oggi.
(c) Necessità di un'analisi progettuale dell'utilità e dei requisiti per l'incorporazione di vari livelli di ridondanza in sistemi di produzione massicciamente paralleli.
(d) I sistemi di livello inferiore utilizzati nella fabbricazione di DMS o nelle operazioni di assemblaggio di nanoparti devono essere dimostrati scalabili a sistemi più grandi o riprogettati per consentire tale scalabilità.(2) Massiccia parallelizzazione delle pinze di assemblaggio di nanoparti e dei relativi sistemi
(a) Necessità di progettare sistemi di controllo per array di assemblaggi di parti di miliardi di workstation azionati in parallelo. Ciò include l'implementazione di sistemi di attuazione controllati dalla posizione.
(b) Necessità di analisi dell'affidabilità e dei tassi di errore nei sistemi di assemblaggio di grandi parti. Sarebbero utili studi sulla progettazione a tolleranza d'errore per sistemi di produzione massicciamente paralleli.(3) Software di simulazione per sistemi di produzione massicciamente paralleli
(a) Necessità di software in grado di simulazioni integrate multilivello dei principali sottosistemi e sistemi di nanofabbriche.
(b) Hai bisogno di un software di pianificazione del flusso di lavoro per sistemi di assemblaggio massicciamente paralleli.(IV) Sfide tecniche per la progettazione nanomeccanica
(1) Istituzione di librerie di nanoparti
(a) Necessità di creare librerie di nanoparti catalogate in formati utilizzabili da CAD.
(b) Le nanoparti e i nanoassemblaggi dovrebbero impiegare le filosofie "progettazione per l'assemblaggio" e "progettazione per l'analisi e la convalida".
(c) Necessità di analisi delle strutture derivate da analisi precedenti (vedi sopra) per determinare quante nanoparti distinte e superfici di materiali potrebbero essere necessarie per costituire un set completo di componenti strutturali e funzionali di basso livello sufficienti per la produzione molecolare.(2) Simulazione di nanoparti, nanomacchine e operazioni con nanomacchine
(a) È necessario un software in grado di modellare e simulare in modo affidabile il funzionamento cinematico di parti di macchine diamantate.
(b) Necessità di sviluppare un sistema CAD/simulazione in grado di eseguire simulazioni di dinamica molecolare di numerose parti interagenti e di prevedere con precisione l'affidabilità e le caratteristiche fisiche delle loro interazioni.
(c) Necessità di un progetto dettagliato per un nanomotore, con simulazioni atomistiche almeno dei componenti chiave. È necessario specificare i materiali e testare la stabilità chimica delle strutture risultanti. L'uso di qualsiasi tipo di metallo può sollevare seri problemi di stabilità della superficie e potrebbero verificarsi guasti a causa dell'adesione delle superfici di contatto, ma potrebbero essere utilizzati grafene metallico, diamante drogato o altri materiali covalenti rigidi rilevanti. Può anche essere richiesta una squisita precisione nel posizionamento a causa della dipendenza esponenziale della corrente di tunneling con separazione.
(d) Necessità di un progetto dettagliato per una pompa selettiva per le molecole, con simulazioni atomistiche almeno dei componenti chiave, in particolare i siti di legame e i meccanismi di azionamento. Un obiettivo utile potrebbe essere un progetto a livello molecolare di una valvola selettiva o di un sistema di pompaggio basato su materiali rigidi che ammetta una determinata molecola escludendo, ad esempio, ossigeno e acqua con un'efficienza quasi del 100%.
(e) I nanosistemi di Drexler delineano un quadro per la stima degli effetti del rumore termico, che viene quindi applicato a un progetto di ingegneria in un calcolo dell'incertezza di posizione sulla punta di un posizionatore molecolare. Ciò dimostra che l'incertezza di posizione può essere inferiore a un diametro atomico - una condizione necessaria, se forse non sufficiente, per il funzionamento di tali dispositivi. Ma abbiamo anche bisogno di una gamma più ampia di simulazioni di dinamica molecolare di nanomacchine più complesse funzionanti ad azoto liquido ea temperatura ambiente, in cui sia il meccanismo stesso che i suoi supporti sono soggetti a rumore termico.
(f) Necessità di una revisione del nuovo corpo di recenti lavori sperimentali e di simulazione sulla nanotribologia (attrito su nanoscala), seguita da una valutazione delle sue implicazioni (se presenti) per le prestazioni dei macchinari su scala nanometrica. Ad esempio, superlubricità di grafite incommensurabile e grafene incommensurabilesuperficie di scorrimento è stata dimostrata sperimentalmente. Ulteriori informazioni sulla portata del problema e su eventuali vincoli di progettazione specifici che potrebbe imporre possono essere ottenute mediante simulazioni dinamiche molecolari quantitative di semplici sistemi nanomeccanici guidati. Anche valori bassi di attrito potrebbero compromettere il funzionamento delle nanomacchine generando alti livelli di riscaldamento locale che potrebbero diminuire la stabilità chimica di tali dispositivi. La perdita di energia dalle modalità di guida delle macchine nelle modalità vibrazionali casuali e a frequenza più elevata che costituiscono il calore può verificarsi ogni volta che i legami chimici vengono allungati oltre l'intervallo in cui sono ben approssimati da un potenziale armonico (ovvero obbedendo alla legge di Hooke),
(g) Necessità di revisione della letteratura, simulazioni definitive e valutazione dell'impatto della diffusione dell'idrogeno attraverso superfici diamantate e cristalli sfusi.
(h) Necessità di revisione della letteratura, simulazioni definitive e valutazione degli effetti del danno da radiazioni sull'affidabilità delle strutture e delle operazioni meccaniche del diamante.(3) Progettazione nanofabbrica
(a) Necessità di simulazioni complete delle operazioni di nanofabbrica. Si noti che un chilogrammo di prodotto fabbricato, se realizzato in puro diamante, conterrebbe ~ 50 x 10 24 atomi di carbonio, richiedendo ~ 50 x 10 24 operazioni DMS assumendo ~ 1 operazione DMS per atomo di C posizionato; eppure un moderno computer desktop esegue in modo impeccabile ~10 24 operazioni a transistor al giorno. Se singolo DMS le operazioni in un sistema di produzione maturo possono essere rese semplici e affidabili quanto le operazioni primitive dei transistor in un moderno chip di computer elettronico, quindi il livello di complessità inerente alle operazioni di nanofabbrica può essere considerato considerevole ma non inconcepibile.
(b) Lo spazio di progettazione delle architetture di nanofabbrica di base dovrebbe essere esaminato e valutato, sebbene lo spazio sia probabilmente troppo grande per una valutazione completa. Un buon progetto di nanofabbrica dovrebbe essere un sistema in grado di eseguire il bootstrap, dovrebbe mostrare facilità di riprogrammazione, dovrebbe consentire la massima accessibilità geometrica ai pezzi durante la produzione, dovrebbe mostrare la massima affidabilità durante il funzionamento, dovrebbe essere "sicuro" e mostrare non evolvibilità, dovrebbe essere "costruibile", e dovrebbe consentire una produzione pulita e un funzionamento senza inquinamento.
(c) Necessità di indagare sui possibili requisiti per il controllo di processo equivalente alla macroscala e la strumentazione di monitoraggio nelle nanofabbriche, inclusi sensori, interruttori di limite e simili, che costituiscono circuiti di feedback sensoriali che consentono l'attuazione condizionale. Se le sequenze di fabbricazione DMS e le sequenze di assemblaggio delle parti possono essere progettate per ridurre al minimo o eliminare ricostruzioni indesiderate o altre patologie strutturali, la necessità del rilevamento in linea convenzionale è notevolmente ridotta (insieme al numero di possibili modalità di guasto).
(d) Necessità di studiare progetti per linee di produzione ridondanti multiple, con quantificazione delle prestazioni e dei compromessi di progettazione compreso il numero di linee di produzione parallele, il tempo medio di rottura di una determinata linea di produzione, il numero ottimale di percorsi alternativi del pezzo attraverso la nanofabbrica , il numero ottimale e la posizione degli shunt del flusso di produzione, e così via, per determinare l'affidabilità e l'efficienza dell'operazione di produzione complessiva.Contenuto scritto di questa pagina © 2006-21 Robert A. Freitas Jr. e Ralph C. Merkle
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