To mały, mały, mały, mały świat

Właściwości materiałów zależą od tego, jak ułożone są ich atomy. Poprzestawiaj atomy w węglu, a otrzymasz diamenty. Zmieniaj atomy w glebie, wodzie i powietrzu i masz trawę. A odkąd ludzie po raz pierwszy wyprodukowali kamienne narzędzia i noże krzemienne, manipulujemy atomami w wielkich, grzmiących statystycznych stadach, odlewając, frezując, szlifując i rozdrabniając materiały. Przestawiamy atomy w piasku np. dodajemy szczyptę zanieczyszczeń i produkujemy chipy komputerowe. Staliśmy się w tym coraz lepsi i możemy produkować więcej przy niższych kosztach i z większą precyzją niż kiedykolwiek wcześniej.

Nawet w naszej najbardziej precyzyjnej pracy przenosimy atomy w ogromne stosy i nieporządne stosy — miliony lub miliardy naraz. Analizy teoretyczne jasno pokazują jednak, że powinniśmy być w stanie przestawiać atomy i molekuły jeden po drugim – z każdym atomem we właściwym miejscu – podobnie jak moglibyśmy ułożyć klocki Lego, aby stworzyć model budynku lub prostą maszynę. Ta technologia, często nazywana nanotechnologią lub produkcją molekularną, pozwoli nam na wytwarzanie większości produktów lżejszych, mocniejszych, inteligentniejszych, tańszych, czystszych i bardziej precyzyjnych.

Ta historia była częścią naszego wydania z lutego 1997 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Konsekwencje byłyby wielkie. Na początek moglibyśmy kontynuować rewolucję w sprzęcie komputerowym aż do przełączników i przewodów o rozmiarach molekularnych. Możliwość budowania rzeczy cząsteczka po cząsteczce pozwoliłaby nam również stworzyć nową klasę materiałów konstrukcyjnych, które byłyby ponad 50 razy mocniejsze niż stal o tej samej wadze: Cadillac może ważyć 100 funtów; jedną ręką można było podnieść pełnowymiarową sofę. Zdolność do budowania cząsteczka po cząsteczce może również dać nam narzędzia chirurgiczne o takiej precyzji i zręczności, że mogłyby operować na komórkach, a nawet cząsteczkach, z których jesteśmy zbudowani.

Zdolność do wytwarzania takich produktów jest prawdopodobnie jeszcze za kilkadziesiąt lat. Jednak modele teoretyczne i obliczeniowe dają pewność, że molekularne systemy produkcyjne potrzebne do wykonania zadania są możliwe — że nie naruszają istniejących praw fizycznych. Modele te dają nam również wyobrażenie o tym, jak może wyglądać molekularny system produkcyjny. To ważna podstawa: w końcu podstawowa idea przekaźnika elektrycznego była znana w latach dwudziestych XIX wieku, a koncepcja mechanicznego komputera, który działał na podstawie zapisanego zestawu instrukcji – programu – została zrozumiana kilka lat później. Ale komputery używające przekaźników zbudowano dużo później, ponieważ nie było dobrego teoretycznego zrozumienia obliczeń. Dziś naukowcy opracowują liczne narzędzia i techniki, które będą potrzebne do przekształcenia nanotechnologii z modeli komputerowych w rzeczywistość. Chociaż większość z nich pozostaje w sferze teorii, wydaje się, że nie ma fundamentalnej bariery dla ich rozwoju.

Skrzynia z narzędziami Nano

Wyobraź sobie wkładanie przewodów, tranzystorów i innych elementów elektronicznych do torby, potrząsanie nią i wyciąganie w pełni zmontowanego i gotowego do pracy radia. Chociaż brzmi to dziwacznie, tak niezwykła samoorganizacja jest w istocie tym, co robią chemicy, kiedy syntetyzują materiały. Mieszając roztwory w zlewce, chemik pozwala przejąć wewnętrzne przyciąganie i odpychanie niektórych cząsteczek i atomów. Sztuka i nauka wyewoluowały, aby tak zorganizować warunki, aby atomy spontanicznie składały się w określone struktury molekularne.

Podobnie otaczają nas i inspirują nas produkty, które są cudownie złożone, a jednocześnie bardzo niedrogie. Na przykład ziemniaki składają się z dziesiątek tysięcy genów i białek oraz skomplikowanej maszynerii molekularnej; jednak nie myślimy o zjedzeniu tego cudu biologii, zmiksowanego z odrobiną masła. Ziemniaki, podobnie jak wiele innych produktów rolnych, kosztują mniej niż dolara za funt. Główny powód: jeśli ziemniak ma trochę ziemi, wody, powietrza i światła słonecznego, może wyprodukować więcej ziemniaków. Podobnie, gdybyśmy mogli stworzyć uniwersalne programowalne urządzenie produkcyjne, które byłoby w stanie wykonać swoje kopie – co naukowcy zajmujący się nanotechnologią nazywają asemblerem – wtedy koszty produkcji zarówno urządzenia, jak i wszystkiego, co zostało wyprodukowane, byłyby niskie.

Podstawową zasadą samodzielnego montażu jest selektywna lepkość. Jeśli dwie części molekularne mają komplementarne kształty i wzory ładunków — to znaczy jedna ma wgłębienie w miejscu, w którym druga ma wypukłość, albo jedna ma ładunek dodatni, gdy druga ma ładunek ujemny — wtedy będą one miały tendencję do sklejania się w określony sposób tworząc większą część. Ta większa część może łączyć się w ten sam sposób z innymi częściami, tak że z cząsteczek molekularnych wyłania się złożona całość.

Sam montaż nie wystarczy jednak do stworzenia szerokiej gamy produktów, które obiecuje nanotechnologia. Jeśli części są na przykład bezkrytycznie lepkie, mieszanie ich razem dałoby niechlujne plamy zamiast precyzyjnych maszyn molekularnych. Możemy rozwiązać ten problem, utrzymując części molekularne we właściwej pozycji i orientacji, tak aby kiedy się zetkną, połączą się tak, jak tego chcemy. W skali makroskopowej pomysł, że możemy trzymać części w dłoniach i składać je, odpowiednio ustawiając je względem siebie, sięga prehistorii: celebrujemy siebie jako gatunek posługujący się narzędziami. Ale pomysł utrzymywania i pozycjonowania cząsteczek jest nowy i niemal szokujący. Należy opracować odpowiedniki ramion i dłoni w nanoskali.

Aktualne propozycje dotyczące urządzeń pozycjonujących w skali molekularnej przypominają urządzenia robotyczne normalnej wielkości, ale są około jednej dziesięciomilionowej wielkości. Molekularne ramię robota może systematycznie przesuwać się w przód iw tył, dodając i wycofując atomy z powierzchni, aby zbudować dowolną strukturę, którą polecił mu komputer. Ramię takie, złożone z kilku milionów atomów, może mieć długość 100 nanometrów i około 30 nanometrów. Chociaż miałby około 100 ruchomych części, nie używałby żadnych smarów — w tej skali cząsteczka smaru przypomina bardziej kawałek piasku. Takie ultraminiaturowe narzędzia powinny być w stanie ustawić swoje końcówki z dokładnością do niewielkiego ułamka średnicy atomowej. Biliony takich urządzeń zajęłyby niewiele więcej niż kilka milimetrów sześciennych (punkt nieco większy niż główka szpilki).

Ramiona molekularne zostałyby uderzone przez coś, o co nie martwimy się w skali makroskopowej: szum termiczny. Atomy i molekuły są w ciągłym ruchu i drganiu; im wyższa temperatura, tym bardziej energiczny ruch. Dlatego, aby utrzymać swoją pozycję, ramię w nanoskali musi być wyjątkowo sztywne.

Najsztywniejszym materiałem wokół jest diament. Siła i lekkość materiału zależy od liczby i siły wiązań, które spajają jego atomy, oraz od lekkości atomów. Pierwiastkiem najlepiej spełniającym oba kryteria jest węgiel, który jest lekki i tworzy silniejsze wiązania niż jakikolwiek inny atom. Wiązanie węgiel-węgiel jest szczególnie silne; każdy atom węgla może wiązać się z czterema sąsiednimi atomami. W diamencie gęsta sieć silnych wiązań tworzy mocny, lekki i sztywny materiał. Rzeczywiście, tak jak nazwaliśmy epokę kamienia, epokę brązu i epokę stali po materiałach, które ludzie mogliby wytworzyć, możemy nazwać nową epokę technologiczną, w którą wkraczamy epoką diamentu.

Jak można wyprodukować diamentowe urządzenie tej skali? Jedna odpowiedź pochodzi z tego, jak dzisiaj uprawiamy diamenty. W procesie nieco przypominającym malowanie natryskowe, budujemy warstwę po warstwie diamentu, trzymając powierzchnię w chmurze reaktywnych atomów wodoru i cząsteczek węglowodorów. Kiedy te cząsteczki uderzają o powierzchnię, zmieniają ją, dodając, usuwając lub przestawiając atomy. Starannie kontrolując ciśnienie, temperaturę i dokładny skład gazu w tym procesie, zwanym chemicznym osadzaniem z fazy gazowej (CVD), możemy stworzyć warunki sprzyjające wzrostowi diamentu na powierzchni.

Jednak przypadkowe bombardowanie powierzchni reaktywnymi cząsteczkami nie zapewnia dokładnej kontroli nad procesem wzrostu; jest to podobne do próby zbudowania zegarka na rękę za pomocą piaskarki. Chcemy, aby reakcje chemiczne zachodziły dokładnie w określonych przez nas miejscach na powierzchni. Drugim problemem jest to, jak sprawić, by powierzchnia diamentu była reaktywna w konkretnych miejscach, w których chcemy dodać kolejny atom lub cząsteczkę. Powierzchnia diamentu jest zwykle pokryta warstwą atomów wodoru. Bez tej warstwy powierzchnia surowego diamentu byłaby wysoce reaktywna, ponieważ byłaby usiana nieużywanymi (lub zwisającymi) wiązaniami atomów węgla. Podczas gdy uwodornienie zapobiega niepożądanym reakcjom, sprawia również, że cała powierzchnia staje się obojętna, co utrudnia dodanie do niej węgla (lub czegokolwiek innego).

Aby rozwiązać ten problem, moglibyśmy użyć zestawu narzędzi w skali molekularnej, które w szeregu kroków przygotowałyby powierzchnię i stworzyły struktury na warstwie diamentu, atom po atomie i cząsteczka po cząsteczce. Pierwszym krokiem w tym procesie byłoby usunięcie atomu wodoru z określonego miejsca na powierzchni diamentu, pozostawiając reaktywne zwisające wiązanie. Można to zrobić za pomocą narzędzia do abstrakcji wodoru - struktury molekularnej, która ma wysokie powinowactwo chemiczne do wodoru na jednym końcu, ale gdzie indziej jest obojętna. Niereaktywny obszar narzędzia służy jako rodzaj uchwytu. Narzędzie byłoby utrzymywane przez molekularne urządzenie pozycjonujące, takie jak omawiane wcześniej molekularne ramię robota, i poruszałoby się bezpośrednio nad poszczególnymi atomami wodoru na powierzchni, którą chcemy wyodrębnić.

Stwarza to problem kurczaka i jajka: potrzebujemy molekularnego ramienia robota, aby zbudować kolejne molekularne ramię robota. Aby rozwiązać ten problem, musimy w pewnym momencie zbudować molekularne ramię robota z czymś innym niż molekularne ramię robota. Moglibyśmy na przykład użyć makroskopowego urządzenia pozycjonującego – takiego jak ulepszona wersja istniejącego mikroskopu sił atomowych – do stworzenia naszego pierwszego molekularnego ramienia robota. Alternatywnie moglibyśmy samodzielnie złożyć uproszczone molekularne urządzenie pozycjonujące. Te pierwsze prymitywne urządzenia pozycyjne można następnie wykorzystać do stworzenia lepszych.

Jedną odpowiednią cząsteczką dla narzędzia do abstrahowania wodoru jest rodnik acetylenowy składający się z dwóch potrójnych atomów węgla. Jeden węgiel byłby uchwytem i łączyłby się z narzędziem pozycjonującym w nanoskali. Drugi węgiel ma zwisające wiązanie, w którym atom wodoru byłby w zwykłym acetylenie. Środowisko wokół narzędzia byłoby obojętne (typowe propozycje obejmują użycie próżni lub gazu szlachetnego, takiego jak krypton lub ksenon).

Gdy to narzędzie utworzy reaktywną plamkę poprzez selektywne usuwanie atomów wodoru z powierzchni diamentu, możliwe staje się osadzanie atomów węgla w żądanych miejscach. W ten sposób tworzona jest struktura diamentu, cząsteczka po cząsteczce, zgodnie z planem. Jedną z propozycji tej funkcji jest narzędzie do osadzania dimerów. Dimer to cząsteczka składająca się z dwóch sklejonych ze sobą tych samych atomów lub cząsteczek. W tym przypadku dimerem byłby C2 dwa atomy węgla połączone wiązaniem potrójnym. W narzędziu do osadzania każdy węgiel w dimerze byłby połączony z większą cząsteczką wiązaniami pojedynczymi z atomami tlenu.

Narzędzie do abstrakcji wodoru i narzędzie do osadzania dimerów będą ze sobą współpracować (patrz ilustracja powyżej). Po pierwsze, narzędzie do abstrakcji usunęłoby dwa sąsiednie atomy wodoru z powierzchni diamentu. Dwa wiszące wiązania reagowałyby z końcami dimeru węgla. Ta reakcja rozerwałaby wiązania węgiel-tlen, a następnie przeniosła dimer węgla z narzędzia na powierzchnię. Ponieważ energia uwalniana podczas reakcji jest znacznie większa niż szum termiczny, dimer zatrzaśnie się na powierzchni i tam pozostanie.

Trzecim proponowanym narzędziem do wytwarzania nanostruktur jest narzędzie do wstawiania karbenów. Karbeny – wysoce reaktywne atomy węgla z dwoma zwisającymi wiązaniami – będą reagować z (i dodawać atom węgla do) wielu struktur molekularnych. Karbeny łatwo wstawią się w podwójne lub potrójne wiązania, jak wiązanie w dimerze węgiel-węgiel opisane powyżej. Kontrolowany pozycyjnie karben może być przymocowany prawie w dowolnym miejscu na rosnącym przedmiocie molekularnym, prowadząc do konstrukcji o praktycznie dowolnym pożądanym kształcie.

Czwarta propozycja dotyczy narzędzia do osadzania wodoru. Tam, gdzie narzędzie do pobierania wodoru ma na celu wywołanie reaktywnej struktury obojętnej poprzez utworzenie wiszącego wiązania, narzędzie do osadzania wodoru zrobi coś przeciwnego: uczyni reaktywną strukturę obojętną przez zakończenie wiązań zwisających. Takie narzędzie pozwoliłoby nam ustabilizować reaktywne powierzchnie i zapobiec przemieszczeniu się atomów powierzchniowych w nieoczekiwany i niepożądany sposób. Kluczowym wymogiem dla takiego narzędzia jest to, aby zawierało słabo przyłączony atom wodoru. Chociaż wiele cząsteczek pasuje do tego opisu, wiązanie między wodorem a cyną jest szczególnie słabe; dlatego narzędzie do osadzania wodoru na bazie cyny powinno być skuteczne.

Te cztery narzędzia molekularne powinny umożliwić nam tworzenie szerokiej gamy sztywnych struktur, ale tylko tych, które składają się z wodoru i węgla. Jest to znacznie mniej ambitny cel niż próba wykorzystania wszystkich 100 lub więcej pierwiastków w układzie okresowym. Ale w zamian za ograniczenie się do tej bardziej ograniczonej klasy struktur znacznie ułatwiamy analizę tych, które można wytworzyć, oraz reakcje syntetyczne potrzebne do ich wykonania. W każdym razie ta węższa propozycja może być łatwiej i dokładniej zbadana niż pełna nanotechnologia. A diament i jego nietłukące warianty należą do tej kategorii, podobnie jak fulerenowe arkusze atomów węgla zwinięte w kule, rurki i inne kształty. Materiały te mogą tworzyć wszystkie części potrzebne do podstawowych urządzeń mechanicznych, takich jak rozpórki, łożyska, przekładnie i ramiona robotów.

Docelowo chcielibyśmy dodać inne elementy - na przykład stworzyć diamentowe urządzenia elektroniczne lub dodać trochę azotu do wewnętrznej powierzchni łożyska w celu odciążenia (wiązanie węgiel-azot jest dłuższe niż wiązanie węgiel-węgiel) . Takie struktury, złożone głównie z węgla i wodoru w połączeniu z azotem, tlenem, fluorem, krzemem, fosforem, siarką lub chlorem, tworzą to, co nazywamy klasą materiałów diamentowych.

Wiek diamentów

Naturalny diament jest drogi, nie możemy go wykonać w pożądanych kształtach i pęka. Nanotechnologia pozwoli nam niedrogo wykonać nietłukący diament (o strukturze przypominającej włókna diamentowe) o dokładnie takich kształtach, jakie chcemy. To pozwoliłoby nam stworzyć Boeinga 747, który ważyłby jedną pięćdziesiątą dzisiejszych wersji bez poświęcenia siły. Korzyści z podróży kosmicznych również byłyby dramatyczne. Stosunek wytrzymałości do masy i koszt komponentów mają kluczowe znaczenie dla wydajności i ekonomiczności statków kosmicznych: nanotechnologia może poprawić oba te parametry o około dwa rzędy wielkości.

Nanotechnologia może również radykalnie zmienić ekonomikę produkcji energii. Słońce mogłoby dostarczać rzędy wielkości więcej energii niż obecnie zużywają ludzie — a przy tym czyściej i taniej niż paliwa kopalne i reaktory jądrowe — gdybyśmy tylko mogli wytwarzać tanie ogniwa słoneczne i baterie. Wiemy już, jak wytwarzać wydajne ogniwa słoneczne: nanotechnologia może obniżyć ich koszty, ostatecznie czyniąc energię słoneczną ekonomiczną. W tej aplikacji nie musimy tworzyć nowych lub lepszych technicznie urządzeń; po prostu robiąc niedrogo to, co już wiemy, jak drogo wytwarzać, przenieślibyśmy energię słoneczną do głównego nurtu.

Produkcja chipów komputerowych może ulec głębokim zmianom. Wydaje się, że istnieją fundamentalne ograniczenia, jeśli chodzi o to, jak bardzo możemy jeszcze ulepszyć litografię, proces, w którym obecnie powstają chipy. W litografii (dosł. pismo kamienne) na wafelku krzemowym rysujemy cienkie linie metodami zapożyczonymi z fotografii. Na płytce krzemowej nałożona jest światłoczuła folia, zwana rezystancją. Maska zostaje wystawiona na złożony wzór jasnych i ciemnych, jak negatyw w aparacie i wywołana. Powtarzając ten proces, można stworzyć skomplikowany zestaw zazębiających się wzorów, które definiują złożone elementy logiczne chipa komputerowego.

Ale układanie atomów przez rzucanie fotonów (lub innych cząstek) na powierzchnię z dużej odległości nie wydaje się najlepszym podejściem, zwłaszcza jeśli chcemy użyć trzech wymiarów zamiast tylko dwóch; wyobraź sobie budowanie samochodu, rzucając w niego narzędziami z odległości większej niż mila. Tak więc, jeśli ulepszenia sprzętu komputerowego mają być kontynuowane w obecnym tempie, za mniej więcej dekadę będziemy musieli wyjść poza litografię do jakiejś nowej technologii produkcyjnej. Zasugerowano już projekty elementów logiki komputerowej, które składają się z mniej niż 1000 atomów, ale każdy atom w tak małym urządzeniu musi być dokładnie we właściwym miejscu. A rozpylanie chemikaliów po prostu nie może rozmieścić atomów z wymaganą precyzją.

Na szczęście diament to doskonały materiał elektroniczny. Pod kilkoma kluczowymi względami przewyższa krzem. Po pierwsze, elektrony poruszają się szybciej w diamencie niż w krzemie. Diament może również działać lepiej niż krzem w wysokich temperaturach. Jest to ważne, ponieważ w miarę jak chipy stają się coraz szybsze, ich wydajność jest ograniczona przez konieczność rozpraszania ciepła, które gromadzi się w obwodach.

Diament ma tę zaletę z dwóch powodów. Po pierwsze, diament ma większą przewodność cieplną niż krzem, co pozwala na szybsze odprowadzanie ciepła z diamentowego tranzystora. Po drugie, diament ma większą przerwę energetyczną niż krzem – 5,5 elektronowoltów, w przeciwieństwie do 1,1 elektronowoltów w krzemie. Przerwa wzbroniona to minimalna ilość energii wymagana do pobudzenia elektronu ze stanu stosunkowo nieruchomego do pasma przewodnictwa półprzewodnika, gdzie elektron porusza się swobodnie pod wpływem napięcia. Wraz ze wzrostem temperatury więcej elektronów zyskuje energię potrzebną do przeskoczenia w pasmo przewodnictwa. Kiedy robi to zbyt wiele elektronów, urządzenie zmienia się z półprzewodnika w przewodnik; tranzystor zwiera się i przestaje działać. Większa przerwa energetyczna diamentu oznacza zwarcie w wyższej temperaturze.

Dzięki nanotechnologii powinniśmy być w stanie zbudować urządzenia pamięci masowej, które mogą przechowywać ponad 100 miliardów miliardów bajtów w objętości wielkości kostki cukru, oraz masowo równoległe komputery o tym samym rozmiarze, które mogą dostarczyć miliard miliardów instrukcji na sekundę. miliard razy więcej niż dzisiejsze komputery stacjonarne.

Dostępność urządzeń w nanoskali może również radykalnie zmienić definicję chirurgii. Obecnie istnieje fundamentalna rozbieżność między tym, co jest potrzebne do leczenia urazów, a możliwościami naszych narzędzi. Maszyneria komórkowa i molekularna w naszej tkance jest niewielka i precyzyjna, ale dzisiejsze skalpele są, jak widać z komórki, prymitywnymi kosami, które przedzierają się przez tkankę, pozostawiając po sobie martwe i okaleczone komórki. Jedynym powodem, dla którego współczesna chirurgia działa, jest niezwykła zdolność komórek do przegrupowywania się, grzebania zmarłych i gojenia się rany.

Narzędzia chirurgiczne, które są molekularne zarówno pod względem wielkości, jak i precyzji, powinny pozwolić nam bezpośrednio leczyć, na poziomie molekularnym i komórkowym, urazy powodujące chorobę. Na przykład ramię robota molekularnego o długości mniejszej niż 100 nanometrów z łatwością zmieściłoby się w układzie krążenia (pojedyncza czerwona krwinka ma średnicę około 8000 nanometrów), a nawet byłoby w stanie wcisnąć się w poszczególne komórki.

Jednym z zastosowań byłaby terapia nowotworowa. Moglibyśmy zaprojektować małe urządzenie zdolne do identyfikowania i zabijania komórek rakowych. Urządzenie, które zawierałoby komputer w nanoskali i kilka miejsc wiązania, które są ukształtowane tak, aby pasowały do ​​określonych cząsteczek, swobodnie krążyłoby po całym ciele, okresowo próbkując jego środowisko, określając, czy miejsca wiązania są zajęte. Im częściej miejsce było zajęte, tym wyższe było stężenie cząsteczki, dla której to miejsce zostało zaprojektowane. Nanourządzenie z tuzinem różnych typów miejsc wiązania mogłoby w ten sposób monitorować stężenia tuzina różnych typów cząsteczek, które normalnie występują w organizmie, ale których stężenia względem siebie zmieniają się, gdy obecny jest rak. Komputer mógłby określić, czy profil stężeń pasuje do wcześniej zaprogramowanego profilu, i w przypadku napotkania profilu rakowego wypuściłby truciznę, która selektywnie zabija komórki rakowe.

Każde urządzenie mogłoby zawierać czujnik ciśnienia w nanoskali, który umożliwiłby zabójcy raka otrzymywanie instrukcji za pomocą sygnałów ultradźwiękowych w zakresie megaherców. Słuchając kilku makroskopowych źródeł sygnału akustycznego, urządzenie może określić swoje położenie w ciele, podobnie jak odbiornik radiowy na Ziemi może wykorzystać transmisje z kilku satelitów do określenia swojej pozycji. Świadomość własnego położenia w ciele pomogłaby urządzeniu zdecydować, czy znajduje się w pobliżu raka. W przypadku braku informacji o lokalizacji może czasami omyłkowo uwolnić truciznę do komórki, która wydawała się być komórką rakową. Jeśli celem było na przykład zabicie raka okrężnicy, zabójca raka w paluchu nie uwolniłby swojej trucizny, bez względu na to, co powiedziałby mu czujnik raka.

Jak możemy się tam dostać?

Opisane tutaj cudowne zdolności są w większości teoretyczne. Jak można je urzeczywistnić? Jak możemy zbudować uniwersalny, programowalny system produkcyjny przy użyciu wysoce reaktywnych, sterowanych pozycyjnie narzędzi, które mogłyby niedrogo wyprodukować większość struktur diamentowych?

Nie należy lekceważyć ogromu tego wyzwania. Obecne propozycje asemblera zdolnego do wytwarzania struktur diamentoidalnych obejmują setki milionów lub miliardów atomów — bez żadnego atomu nie na miejscu. Nawet prostemu ramieniu robota, które mogłoby składać się tylko z kilku milionów atomów, musiałyby towarzyszyć inne komponenty. Ramiona robota pracowałyby w próżni, na przykład, dyktując potrzebę osłony wokół ramienia, aby utrzymać tę próżnię. Inne gadżety pomocnicze, które będą potrzebne, to odbiorniki akustyczne, komputery, uruchamiane ciśnieniem grzechotki i miejsca wiązania. Jeśli każda operacja, taka jak pozyskiwanie wodoru lub osadzanie karbenu, zwykle dotyczy jednego lub kilku atomów, wskaźnik błędu musi być mniejszy niż jeden na miliard.

Chociaż taka doskonałość jest teoretycznie możliwa do osiągnięcia, dzisiejsza technologia nie jest w stanie sprostać zadaniu. Proces syntezy chemicznej, który chemicy uważają za bardzo dobry, przekształca 99 procent reagentów w pożądany produkt. Jednak ta 99-procentowa wydajność oznacza wskaźnik błędu wynoszący jeden na 100, czyli dziesięć milionów razy mniej doskonały, niż byśmy sobie życzyli w dojrzałej nanotechnologii. Synteza białek z aminokwasów przez rybosomy ma wskaźnik błędu wynoszący prawdopodobnie jeden na 10 000. DNA, opierając się na rozległym wykrywaniu i korekcji błędów wraz z wbudowaną redundancją (cząsteczka ma dwie komplementarne nici), osiąga wskaźnik błędu około jednej zasady na miliard podczas replikacji.

Żadna istniejąca technologia nie może zbliżyć się do tego poziomu wydajności. Jedną z technik, która może pozycjonować poszczególne atomy, jest na przykład mikroskop z sondą skanującą (SPM), w którym ostra końcówka jest sprowadzana do powierzchni próbki, aby wygenerować sygnał, który pozwala nam zmapować badaną powierzchnię, jak ślepiec stukający laską, by wyczuć drogę przed sobą. Niektóre SPM dosłownie naciskają na powierzchnię i zauważają, jak mocno powierzchnia odpycha. Inni podłączają powierzchnię i sondę do źródła napięcia i mierzą przepływ prądu, gdy sonda zbliża się do powierzchni. Można zmierzyć wiele innych interakcji sonda-powierzchnia, które są wykorzystywane do wytwarzania różnych typów SPM.

SPM może nie tylko mapować powierzchnię, ale może ją zmieniać, na przykład odkładając poszczególne atomy i cząsteczki w pożądany wzór. W dobrze nagłośnionym przypadku naukowcy umieścili 35 atomów ksenonu na powierzchni niklu, tworząc litery identyfikujące ich pracodawcę: IBM. Ale ta manipulacja SPM wymagała chłodzenia do 4 stopni powyżej zera absolutnego, co nie jest idealnymi warunkami dla produkcji na dużą skalę. Niedawno naukowcy IBM precyzyjnie ułożyli molekuły w temperaturze pokojowej na miedzianej powierzchni. Jednak moduły SPM mają na tyle wysoki wskaźnik błędów, że muszą używać stosunkowo wyrafinowanych metod wykrywania i korygowania błędów. I chociaż te systemy mogą poruszać się wokół kilku atomów lub molekuł, nie są w stanie wyprodukować dużych ilości diamentów o precyzyjnej strukturze, które można by wykorzystać do budowy samochodu lub samolotu.

Wreszcie dzisiejsze SPM są zbyt wolne. W naturze rybosomy potrzebują dziesiątek milisekund, aby dodać pojedynczy aminokwas do rosnącego białka. Ale jeśli asembler ma wyprodukować swoją kopię w ciągu około jednego dnia i jeśli wymaga to kilkuset milionów operacji, to każda operacja musi nastąpić w ułamku milisekundy. SPM natomiast zajmuje godziny, aby ułożyć kilka atomów lub cząsteczek. Zamiast próbować rozwiązać wszystkie te problemy jednym wielkim skokiem, moglibyśmy podejść do nich bardziej stopniowo, opracowując serię systemów pośrednich. Jednym z podejść, na przykład, byłoby wyeliminowanie wymogu, aby asembler był wykonany ze struktur diamentowych. Diamentoid jest atrakcyjny, jak widzieliśmy, ze względu na swoją wytrzymałość, sztywność i właściwości elektryczne. Ale system pośredni musi tylko być w stanie stworzyć bardziej zaawansowany system i być może produkty, które robią wrażenie w porównaniu z dzisiejszymi produktami. Nie musi to być sam diament.

Sugeruje to, co można nazwać nanotechnologią opartą na blokach konstrukcyjnych. Zamiast budować diament, zbudujemy inny materiał ze stosunkowo dużych jednostek molekularnych składających się z dziesiątek, setek, a nawet tysięcy atomów. Tak duże bloki konstrukcyjne zmniejszają liczbę etapów montażu, dzięki czemu wymagana jest mniejsza liczba operacji jednostkowych i nie muszą być tak niezawodne. Rozpuszczalne cegiełki, które przyklejają się tylko do innych cegiełek, a nie do rozpuszczalnika lub niskich stężeń zanieczyszczeń, eliminują potrzebę pracy w próżni.

Wybierając takie elementy budulcowe, mamy wiele możliwości wyboru: dowolną z wielu cząsteczek, które chemicy zsyntetyzowali lub mogliby rozsądnie zsyntetyzować, o pożądanych właściwościach. Każdy element budulcowy molekularny powinien mieć co najmniej trzy miejsca, w których może łączyć się z innymi elementami budulcowymi. Jednostki z dwoma miejscami wiązania sugerują polimery wszechobecne w układach biologicznych, takich jak DNA, RNA i białka. Bloki konstrukcyjne, które mają trzy miejsca łączenia, znacznie ułatwiają projektowanie sztywnych konstrukcji trójwymiarowych.

Takie elementy budulcowe można łączyć ze sobą za pomocą dowolnej z wielu dobrze poznanych reakcji chemicznych. Szczególnie atrakcyjną możliwością jest reakcja Dielsa-Aldera, w której dien (węglowodór z podwójnym wiązaniem węgiel-węgiel) może reagować z określoną cząsteczką.

Odpowiadając na wątpliwości

Pomimo prawdopodobieństwa rozwoju nanotechnologii są sceptycy. Ich krytyka jest jednak słabo poinformowana. Na przykład chemik David Jones, felietonista Nature, cytowany w „Scientific American”, że budowa asemblera molekularnego była skazana na niepowodzenie, ponieważ poszczególne atomy są zdumiewająco ruchome i reaktywne. Natychmiast połączą się z otaczającym powietrzem, wodą, sobą nawzajem, płynem wspierającym asemblerów lub samymi asemblerami.

Propozycje dotyczące reaktywnych narzędzi molekularnych określają jednak, że środowisko powinno być obojętne — albo próżnia, albo gaz szlachetny; nie byłoby powietrza z otoczenia, z którym można by reagować. A ponieważ narzędzia molekularne są sterowane pozycyjnie, nie będą reagować ze sobą ani z samym asemblerem – z tego samego powodu, dla którego gorąca lutownica nie reaguje ze skórą osoby, która ją dzierży.

Często jestem pytany, ile czasu minie, zanim będziemy mogli zbudować komputery molekularne, zanim niedrogie ogniwa fotowoltaiczne przyniosą tanią, czystą energię słoneczną, zanim ultralekkie statki kosmiczne drastycznie obniżą koszty eksploracji kosmosu. Naukowo poprawna odpowiedź brzmi: nie wiem. Jednak przyjrzenie się jednej technologii, którą nanotechnologia może ulepszyć — obliczeniowej — daje jedną perspektywę. Od przekaźników elektromechanicznych, przez lampy próżniowe, po tranzystory i układy scalone, od 50 lat obserwujemy stały spadek wielkości i kosztów elementów logicznych oraz stały wzrost ich wydajności. Ekstrapolacja tych trendów sugeruje, że aby rewolucja w sprzęcie komputerowym utrzymała się zgodnie z harmonogramem, będzie wymagała rozwoju produkcji molekularnej do około 2010 lub 2020 roku.

Oczywiście ekstrapolacja trendów z przeszłości jest filozoficznie dyskusyjną metodą prognozowania technologii. Podczas gdy żadne fundamentalne prawo natury nie powstrzymuje nas przed rozwijaniem nanotechnologii według tego harmonogramu (lub nawet szybciej), nie ma również prawa, które mówiłoby, że ten harmonogram się nie poślizgnie. Co gorsza, takie trendy sugerują, że istnieje pewien ustalony harmonogram – że nanotechnologia nieuchronnie pojawi się niezależnie od tego, co robimy lub czego nie robimy. Nic nie może być dalej od prawdy. To, ile czasu zajmie opracowanie tej technologii, zależy w dużej mierze od tego, co robimy. Jeśli będziemy go systematycznie realizować, stanie się to prędzej. Jeśli to zignorujemy lub po prostu mamy nadzieję, że ktoś się o to potknie, potrwa to znacznie dłużej. Na szczęście, stosując razem podejścia teoretyczne, obliczeniowe i eksperymentalne, możemy osiągnąć cel szybciej i niezawodnie niż przy użyciu pojedynczego podejścia. Tak jak Boeing może projektować, budować i latać samoloty w komputerze, zanim wyprodukuje je w prawdziwym świecie, tak samo możemy zrobić z produkcją molekularną. Możemy szybko wyeliminować większość falstartów i ślepych zaułków i szybko skupić się na najlepszych podejściach.

Podobnie jak pierwsze lądowanie człowieka na Księżycu, projekt Manhattan czy rozwój nowoczesnego komputera, pojawienie się produkcji molekularnej będzie wymagało skoordynowanych wysiłków wielu ludzi przez wiele lat. Jak długo to zajmie? Wiele zależy od tego, kiedy zaczniemy.

ukryć