Sfide tecniche rimanenti per il raggiungimento della
produzione molecolare di diamantini posizionali
e delle nanofabbriche di diamantini<\/p>\n\n\n\n
Versione 1.3<\/p>\n\n\n\n
Ci sono molte sfide tecniche che devono essere superate per dimostrare la fattibilit\u00e0 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 fattibilit\u00e0 \u00e8 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 fattibilit\u00e0 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) .<\/p>\n\n\n\n
Con il concetto e la potenziale utilit\u00e0 dei sistemi di macchine molecolari ben stabiliti da questo lavoro preliminare, la comunit\u00e0 tecnica sta ora iniziando a esaminare seriamente queste proposte in modo pi\u00f9 dettagliato per valutarne la fattibilit\u00e0. Lo scetticismo costruttivo della comunit\u00e0 tecnica \u00e8 desiderabile ed essenziale per il successo della Nanofactory Collaboration . \u00c8 solo concentrandosi intensamente sulla miriade di dettagli dell’implementazione che \u00e8 possibile ottenere una comprensione pi\u00f9 completa delle sfide e dei limiti dei sistemi di macchine molecolari.<\/p>\n\n\n\n
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, \u00e8 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.<\/p>\n\n\n\n
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 \u201c chimica site-specific per grandi -scale manufacturing \u201d per: (1) delineare direzioni di ricerca desiderabili non gi\u00e0 perseguite dalla comunit\u00e0 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.<\/p>\n\n\n\n
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.<\/p>\n\n\n\n
Il nostro attuale elenco di sfide tecniche \u00e8 organizzato nelle quattro categorie di capacit\u00e0 tecniche che riteniamo siano necessarie per il successo della produzione molecolare di diamantini posizionali , consentendo lo sviluppo di nanofabbrica. Questo elenco \u00e8 attualmente pi\u00f9 ampio nell’area della meccanosintesi del diamante (DMS) poich\u00e9 il DMS \u00e8 stato l’obiettivo principale dei nostri primi sforzi che hanno portato all’implementazione della nanofabbrica.<\/p>\n\n\n\n
(I) Sfide tecniche per la meccanosintesi del diamante<\/p>\n\n\n\n
(A) TEORICO<\/p>\n\n\n\n
(1) Progettazione e simulazione di tooltip DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di simulazioni computazionali di nuovi tooltip meccanosintetici\n\n (b) Necessit\u00e0 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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(2) Progettazione e simulazione delle interazioni tooltip-pezzo<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di simulazioni delle interazioni punta utensile-pezzo con superfici diamantate (si consiglia VASP o software equivalente).\n\n (b) Necessit\u00e0 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.\n\n (c) Necessit\u00e0 di valutazioni analitiche e statistiche sull'affidabilit\u00e0 della meccanochimica di base del DMS per procedere senza il controllo degli errori.\n\n (d) Necessit\u00e0 di un'enumerazione e una valutazione complete di tutti gli stati patologici che il pezzo pu\u00f2 assumere durante una reazione DMS . Questa analisi deve includere l'endo-\/esoergicit\u00e0 della reazione relativa allo stato desiderato, le barriere agli stati patologici e gli stati patologici intermedi\/transizionali che il pezzo pu\u00f2 adottare durante la reazione DMS o dopo che la reazione DMS \u00e8 completa. Le densit\u00e0 dei difetti del pezzo devono essere controllate ed eliminate.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(3) Progettazione e simulazione di interazioni utensile-utensile<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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 modalit\u00e0 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 avr\u00e0 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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(4) Simulazione di interazioni meccanosintetiche in un ambiente vuoto realistico<\/p>\n\n\n\n
(a) Hai bisogno di simulazioni e studi che esaminino i tooltip con siti radicali esposti che sono collocati in ambienti di vuoto sperimentali realistici. Necessit\u00e0 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 \u00e8 il livello di vuoto minimo richiesto per una durata adeguata dei tooltip per consentire processi DMS fattibili ? Alcuni probabili contaminanti sono peggiori di altri?\n\n (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. Necessit\u00e0 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 \u00e8 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?\n\n (c) Necessit\u00e0 di un'indagine sui sistemi di vuoto esistenti e sulla disponibilit\u00e0 di vuoto ultraelevato. \u00c8 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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(5) Progettazione e simulazione di intere sequenze di reazioni DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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.\n\n (b) Necessit\u00e0 di progettare e simulare procedure di ricarica dei tooltip per i tooltip scaricati.\n\n (c) Necessit\u00e0 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) ) ).\n\n (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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(6) Progettazione e simulazione di procedure DMS oltre gli idrocarburi<\/p>\n\n\n\n
(a) Il DMS deve essere esteso ad atomi diversi da C e H, garantendo idealmente una combinazione di densit\u00e0 di legami penzolanti vicina allo zero, barriere ad alta diffusione e legami covalenti direzionali.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(7) Riorganizzazione e ricostruzione delle superfici del pezzo<\/p>\n\n\n\n
(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.\n\n (b) Se queste piccole strutture diamantate si riorganizzano, il riarrangiamento \u00e8 regolare e affidabile, o casuale e multistrutturale? Il riarrangiamento pu\u00f2 essere invertito, ad esempio, mediante ripassivazione della superficie ricostruita, come con la superficie del diamante C(111)? Il riarrangiamento pu\u00f2 essere ignorato, come nel caso di un manico di tooltip che si riorganizza in un modo noto ma relativamente innocuo dopo che \u00e8 stato fabbricato (cio\u00e8, in un modo che non pregiudica l'affidabilit\u00e0 della chimica controllata dalla posizione che ha luogo sulla punta? )?\n\n (c) Necessit\u00e0 di una revisione della letteratura e studi teorici supplementari sulla propensione della superficie del diamante a subire la grafitizzazione e le condizioni in cui pu\u00f2 verificarsi questa patologia strutturale.\n\n (d) Necessit\u00e0 di una revisione della letteratura e di studi teorici supplementari sulla propensione e sulla velocit\u00e0 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.\n\n (e) Necessit\u00e0 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).\n\n (f) Necessit\u00e0 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.\n\n (g) Sono necessari calcoli di chimica quantistica adeguati (ad es. ab initio , teoria funzionale della densit\u00e0) per determinare la stabilit\u00e0 strutturale e chimica delle parti della macchina diamantate target, ottenendo la struttura stabile all'equilibrio (la struttura con l'energia libera complessiva pi\u00f9 bassa). Le simulazioni di meccanica molecolare da sole non possono determinarlo con precisione.\n\n (h) Sono necessarie simulazioni di dinamica molecolare che utilizzano la chimica quantistica (ad es. AIMD) per sondare la stabilit\u00e0 cinetica delle strutture metastabili. Le strutture metastabili sono strutture che non sono in equilibrio ma che hanno una probabilit\u00e0 abbastanza bassa di trasformarsi in uno stato (indesiderato) pi\u00f9 stabile da poter essere ancora utili per scopi pratici di nanoingegneria. La valutazione dell'utilit\u00e0 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.\n\n (i) Solo un piccolissimo sottoinsieme di superfici non terminate non si ricostruisce. \u00c8 necessaria una revisione di tutte le superfici (sia passivate che non passivate) che \u00e8 noto non ricostruire. Ci\u00f2 fornir\u00e0 un primo elenco di obiettivi per i tentativi sperimentali al DMS. L'esempio pi\u00f9 noto di superficie non ricostruttiva \u00e8 la superficie del diamante C(110). Una successiva revisione pi\u00f9 ampia del fenomeno generale della ricostruzione della superficie aiuterebbe a dare priorit\u00e0 all'elenco di obiettivi secondari per la futura sperimentazione meccanosintetica. Per questo studio pi\u00f9 ampio, dovrebbe esserci un'enfasi analitica sulle ceramiche covalenti rigide e sui solidi correlati e sui nanocluster di dimensioni <10 nm che sono pi\u00f9 direttamente analoghi alle nanoparti meccaniche proposte come ingranaggi e cuscinetti che possono contenere fino a 10 4 atomi ciascuno .\n\n (j) \u00c8 necessario uno studio definitivo per determinare se la superficie pulita (non passivata) C(111) si ricostruir\u00e0 spontaneamente alla o al di sotto della temperatura ambiente e per determinare al di sotto di quale soglia di temperatura, se presente, non ricostruir\u00e0.\n\n (k) Necessit\u00e0 di quantificare l'impatto sull'affidabilit\u00e0 e ripetibilit\u00e0 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 \u200b\u200bmolti 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).<\/code><\/pre>\n\n\n\n(8) Progettazione e simulazione di sistemi di presentazione di materie prime molecolari per DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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, nonch\u00e9 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 .\n\n (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 propriet\u00e0 steriche (di forma) che possono essere progettate in modo flessibile per l'uso in sistemi di produzione molecolare.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(B) SPERIMENTALE<\/p>\n\n\n\n
(1) Progettazione generale e costruzione di sistemi di nanoposizionamento UHV ad alta precisione<\/p>\n\n\n\n
(a) La nuova capacit\u00e0 sperimentale pi\u00f9 urgente \u00e8 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.\n\n (b) \u00c8 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.\n\n (c) Estensione dei sistemi di nanoposizionamento a pi\u00f9 punte, aumentando i gradi di libert\u00e0 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 libert\u00e0 per tooltip (6 DOF per punta sarebbe meglio per garantire che possiamo allineare con precisione i tooltip).\n\n (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 capacit\u00e0 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.\n\n (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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(2) Sfide specifiche dei sistemi di nanoposizionamento DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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 risulter\u00e0 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.\n\n (b) Necessit\u00e0 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 .\n\n (c) \u00c8 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'esoergicit\u00e0 della reazione, le barriere di reazione e l'affidabilit\u00e0 della reazione.\n\n (d) Necessit\u00e0 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 pi\u00f9 tooltip? Questo problema si applica sia alle posizioni relative delle descrizioni comandi che alle relative rotazioni delle descrizioni comandi.\n\n (e) Per i primi sistemi dimostrativi DMS sar\u00e0 necessaria la capacit\u00e0 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.\n\n (f) Necessit\u00e0 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 affidabilit\u00e0.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(3) Fabbricazione sperimentale di punte DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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 pi\u00f9 rapido ed efficiente.)\n\n (b) Necessit\u00e0 di metodi per caratterizzare i tooltip, una volta che sono stati fabbricati, senza distruggerli o inattivarli. Ci\u00f2 sar\u00e0 particolarmente importante nelle prime fasi della sperimentazione DMS , quando la nostra esperienza (e comprensione di) tali sistemi \u00e8 al minimo.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(4) Contesto sperimentale per DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) Nell'area sperimentale, stiamo cercando sperimentatori disposti e in grado di intraprendere dimostrazioni di laboratorio di (1) semplice DMS o (2) specifiche capacit\u00e0 richieste necessarie per intraprendere operazioni meccanosintetiche pi\u00f9 sofisticate.\n\n (b) Necessit\u00e0 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 .\n\n (c) Necessit\u00e0 di un'analisi dell'utilit\u00e0 del test condizionale degli stati intermedi del pezzo durante la fabbricazione del DMS e dei metodi pi\u00f9 appropriati per farlo. La registrazione di tooltip\/pezzo, combinata con misurazioni di posizione e feedback di forza durante una fase di reazione DMS , \u00e8 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'affidabilit\u00e0 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, pu\u00f2 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 qualit\u00e0 . L'eliminazione dei test passo-passo \u00e8 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 .<\/code><\/pre>\n\n\n\n(5) Prova di principio sperimentale e primi benchmark dimostrativi DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessita di una dimostrazione sperimentale dell'astrazione H puramente meccanosintetica (cio\u00e8 solo forze meccaniche, nessun campo elettrico coinvolto), preferibilmente su una superficie di diamante.\n\n (b) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale di donazione di H puramente meccanosintetica, preferibilmente su una superficie diamantata.\n\n (c) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale del posizionamento del dimero C 2 puramente meccanosintetico (o altra semplice frazione idrocarburica), preferibilmente su una superficie diamantata.\n\n (d) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale di una sequenza puramente meccanosintetica di due o pi\u00f9 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 .\n\n (e) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale della capacit\u00e0 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.\n\n (f) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale di una fabbricazione puramente meccanosintetica di una significativa nanostruttura di diamante 3D.\n\n (g) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale di una fabbricazione puramente meccanosintetica di una struttura diamantata a guscio deformata 3D.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(6) Parallelizzazione DMS<\/p>\n\n\n\n
(a) \u00c8 necessaria una dimostrazione sperimentale della capacit\u00e0 di H-passivare, o H-depassivare, superfici di diamante in pi\u00f9 siti simultanei tramite array di tooltip parallelizzati.\n\n (b) Necessit\u00e0 di prove sperimentali di altri tipi di operazioni meccanosintetiche che dimostrino almeno il potenziale per una massiccia parallelizzazione dei tooltip DMS .<\/code><\/pre>\n\n\n\n(7) Disponibilit\u00e0 di nanoparti naturali per test e fabbricazione<\/p>\n\n\n\n
(a) Sarebbe utile avere una libreria completa di strutture adamantane presenti in natura, catalogate in base a dimensione, struttura geometrica, numero di atomi, legame\/connettivit\u00e0, disponibilit\u00e0 dopo l'estrazione dal petrolio naturale, e cos\u00ec via. Questo ci direbbe quali \"parti\" naturali potrebbero essere prontamente disponibili in grandi quantit\u00e0 per ulteriori elaborazioni in nanostrutture pi\u00f9 complesse come cuscinetti, ingranaggi e simili, o per testare le prestazioni dei sistemi di manipolazione sperimentali in fase iniziale.\n\n (b) Dovrebbe essere studiata la possibilit\u00e0 di costruire nanoparti diamantate partendo da primitive di blocchi di adamantano. Se si dimostrasse possibile, ci\u00f2 potrebbe ridurre parte della necessit\u00e0 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 pi\u00f9 grandi durante il processo di fabbricazione delle nanoparti di diamante.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(II) Sfide tecniche per l’assemblaggio posizionale programmabile<\/p>\n\n\n\n
(A) TEORICO<\/p>\n\n\n\n
(1) Design della pinza Nanopart<\/p>\n\n\n\n
(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 pi\u00f9 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,\n\n (b) Necessit\u00e0 di metodi per attaccare la pinza al sistema di posizionamento fine mantenendo la rigidit\u00e0 e la capacit\u00e0 di azionare la pinza.\n\n (c) \u00c8 necessaria la capacit\u00e0 di scambiare un meccanismo di presa con un altro sulla punta dell'SPM. Ci\u00f2 implica un requisito corollario per la progettazione di strutture di deposito per il comodo stoccaggio temporaneo e il recupero di meccanismi di presa inutilizzati.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(2) Design dell’attuatore del manipolatore Nanopart<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di progetti per attuatori molecolari e su scala nanometrica. Questi progetti dovrebbero essere generati in considerazione della necessit\u00e0 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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(3) Progettazione e simulazione di sistemi di presentazione delle materie prime in nanoparti<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di progettare e simulare la presentazione di nanoparti legate a superfici fisse, per un facile prelievo da strumenti di assemblaggio, nonch\u00e9 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.\n\n (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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(4) Progettazione e simulazione delle superfici di rilascio del pezzo<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di analisi su come costruire nanoparti e\/o le loro strutture intermedie su pilastri o superfici staccabili, quindi prelevarle.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(5) Progettazione e simulazione di sequenze di assemblaggio di nanoparti<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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. Ci\u00f2 include dovrebbe includere i movimenti relativi all'acquisizione delle parti e allo stivaggio dell'oggetto del prodotto finito nelle aree di deposito.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(6) Riarrangiamenti atomici in nanoparti giustapposte<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di analisi di chimica quantistica e dinamica molecolare di possibili ricostruzioni (e stabilit\u00e0 chimica) di nanoparti in movimento che sono poste in intimo contatto con altre nanoparti in movimento durante le operazioni di assemblaggio.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(B) SPERIMENTALE<\/p>\n\n\n\n
(1) Sviluppo della tecnologia SPM per consentire il lavoro di assemblaggio di nanoparti<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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.\n\n (b) I sistemi SPM da utilizzare per lavori di assemblaggio possono richiedere una minore precisione di posizionamento ma una capacit\u00e0 di applicare forze maggiori e in direzioni pi\u00f9 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.\n\n (c) Deve sviluppare un metodo di attuazione che pu\u00f2 essere facilmente controllato in parallelo e potenzialmente scalabile.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(2) Fabbricazione e test delle superfici di rilascio del pezzo in lavorazione<\/p>\n\n\n\n
(a) Servono parti progettate per una facile presa e manipolazione.\n\n (b) Hai bisogno di schemi di presentazione delle parti efficienti.\n\n (c) Indagare la possibilit\u00e0 di un'adesivit\u00e0 controllata delle parti durante l'assemblaggio controllato dalla posizione.\n\n (d) Indagare la possibilit\u00e0 di pallettizzazione di nanoparti.\n\n (e) Indagare la possibilit\u00e0 di fabbricazione di nanoparti basate su DMS su una superficie sacrificale che viene dissolta, rilasciando nanoparti in un fluido vettore.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(3) Test di principio sperimentale e benchmark dimostrativi di assemblaggio posizionale precoce<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale della capacit\u00e0 di trovare e recuperare con precisione nanoparti di input da una superficie di presentazione delle parti o da un deposito di parti.\n\n (b) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale dell'unione puramente meccanica di due o pi\u00f9 nanoparti in un oggetto prodotto pi\u00f9 complesso.\n\n (c) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale della capacit\u00e0 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.\n\n (d) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale di operazioni di inserimento e\/o filettatura puramente meccanosintetiche.\n\n (e) Necessit\u00e0 di una dimostrazione sperimentale della capacit\u00e0 di acquisire due oggetti prodotto e unirli insieme per formare un oggetto prodotto pi\u00f9 complesso.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(III) Sfide tecniche per l’assemblaggio posizionale massicciamente parallelo<\/p>\n\n\n\n
(1) Massiccia parallelizzazione di tooltip e sistemi reattivi DMS<\/p>\n\n\n\n
(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.\n\n (b) Necessit\u00e0 di analisi e proposte su come costruire manipolatori altamente precisi con elevata ripetibilit\u00e0 e stabilit\u00e0, 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.\n\n (c) Necessit\u00e0 di un'analisi progettuale dell'utilit\u00e0 e dei requisiti per l'incorporazione di vari livelli di ridondanza in sistemi di produzione massicciamente paralleli.\n\n (d) I sistemi di livello inferiore utilizzati nella fabbricazione di DMS o nelle operazioni di assemblaggio di nanoparti devono essere dimostrati scalabili a sistemi pi\u00f9 grandi o riprogettati per consentire tale scalabilit\u00e0.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(2) Massiccia parallelizzazione delle pinze di assemblaggio di nanoparti e dei relativi sistemi<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di progettare sistemi di controllo per array di assemblaggi di parti di miliardi di workstation azionati in parallelo. Ci\u00f2 include l'implementazione di sistemi di attuazione controllati dalla posizione.\n\n (b) Necessit\u00e0 di analisi dell'affidabilit\u00e0 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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(3) Software di simulazione per sistemi di produzione massicciamente paralleli<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di software in grado di simulazioni integrate multilivello dei principali sottosistemi e sistemi di nanofabbriche.\n\n (b) Hai bisogno di un software di pianificazione del flusso di lavoro per sistemi di assemblaggio massicciamente paralleli.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(IV) Sfide tecniche per la progettazione nanomeccanica<\/p>\n\n\n\n
(1) Istituzione di librerie di nanoparti<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 di creare librerie di nanoparti catalogate in formati utilizzabili da CAD.\n\n (b) Le nanoparti e i nanoassemblaggi dovrebbero impiegare le filosofie \"progettazione per l'assemblaggio\" e \"progettazione per l'analisi e la convalida\".\n\n (c) Necessit\u00e0 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.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(2) Simulazione di nanoparti, nanomacchine e operazioni con nanomacchine<\/p>\n\n\n\n
(a) \u00c8 necessario un software in grado di modellare e simulare in modo affidabile il funzionamento cinematico di parti di macchine diamantate.\n\n (b) Necessit\u00e0 di sviluppare un sistema CAD\/simulazione in grado di eseguire simulazioni di dinamica molecolare di numerose parti interagenti e di prevedere con precisione l'affidabilit\u00e0 e le caratteristiche fisiche delle loro interazioni.\n\n (c) Necessit\u00e0 di un progetto dettagliato per un nanomotore, con simulazioni atomistiche almeno dei componenti chiave. \u00c8 necessario specificare i materiali e testare la stabilit\u00e0 chimica delle strutture risultanti. L'uso di qualsiasi tipo di metallo pu\u00f2 sollevare seri problemi di stabilit\u00e0 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. Pu\u00f2 anche essere richiesta una squisita precisione nel posizionamento a causa della dipendenza esponenziale della corrente di tunneling con separazione.\n\n (d) Necessit\u00e0 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%.\n\n (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. Ci\u00f2 dimostra che l'incertezza di posizione pu\u00f2 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 pi\u00f9 ampia di simulazioni di dinamica molecolare di nanomacchine pi\u00f9 complesse funzionanti ad azoto liquido ea temperatura ambiente, in cui sia il meccanismo stesso che i suoi supporti sono soggetti a rumore termico.\n\n (f) Necessit\u00e0 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, superlubricit\u00e0 di grafite incommensurabile e grafene incommensurabilesuperficie di scorrimento \u00e8 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 stabilit\u00e0 chimica di tali dispositivi. La perdita di energia dalle modalit\u00e0 di guida delle macchine nelle modalit\u00e0 vibrazionali casuali e a frequenza pi\u00f9 elevata che costituiscono il calore pu\u00f2 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),\n\n (g) Necessit\u00e0 di revisione della letteratura, simulazioni definitive e valutazione dell'impatto della diffusione dell'idrogeno attraverso superfici diamantate e cristalli sfusi.\n\n (h) Necessit\u00e0 di revisione della letteratura, simulazioni definitive e valutazione degli effetti del danno da radiazioni sull'affidabilit\u00e0 delle strutture e delle operazioni meccaniche del diamante.<\/code><\/pre>\n\n\n\n(3) Progettazione nanofabbrica<\/p>\n\n\n\n
(a) Necessit\u00e0 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 complessit\u00e0 inerente alle operazioni di nanofabbrica pu\u00f2 essere considerato considerevole ma non inconcepibile.\n\n (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 facilit\u00e0 di riprogrammazione, dovrebbe consentire la massima accessibilit\u00e0 geometrica ai pezzi durante la produzione, dovrebbe mostrare la massima affidabilit\u00e0 durante il funzionamento, dovrebbe essere \"sicuro\" e mostrare non evolvibilit\u00e0, dovrebbe essere \"costruibile\", e dovrebbe consentire una produzione pulita e un funzionamento senza inquinamento.\n\n (c) Necessit\u00e0 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 necessit\u00e0 del rilevamento in linea convenzionale \u00e8 notevolmente ridotta (insieme al numero di possibili modalit\u00e0 di guasto).\n\n (d) Necessit\u00e0 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 cos\u00ec via, per determinare l'affidabilit\u00e0 e l'efficienza dell'operazione di produzione complessiva.<\/code><\/pre>\n\n\n\nContenuto scritto di questa pagina \u00a9 2006-21 Robert A. Freitas Jr. e Ralph C. Merkle<\/p>\n\n\n\n