Original English version: http://www.molecularassembler.com/Nanofactory/DMS.htm
|
Hva er diamantmekanosyntese? Diamantmekanosyntese (DMS), eller molekylær posisjonell fabrikasjon, er dannelsen av kovalente kjemiske bindinger ved å bruke nøyaktig påførte mekaniske krefter for å bygge diamantformede strukturer. DMS kan automatiseres via datakontroll, noe som muliggjør programmerbar molekylær posisjonsfabrikasjon. Atomisk presis fabrikasjon innebærer å holde råstoffatomer eller molekyler, og et voksende nanoskala arbeidsstykke, i de riktige relative posisjonene og orienteringene slik at når de berører de vil gå sammen på ønsket måte. I denne prosessen vil et mekanosyntetisk verktøy bringes opp til overflaten av et arbeidsstykke. Ett eller flere overføringsatomer legges til eller fjernes fra arbeidsstykket av verktøyet. Deretter trekkes verktøyet ut og lades opp igjen. Denne prosessen gjentas til arbeidsstykket (f.eks. en voksende nanodel) er fullstendig fremstilt til molekylær presisjon med hvert atom på nøyaktig rett sted. Legg merke til at overføringsatomene er under posisjonskontroll* til enhver tid for å forhindre at uønskede bireaksjoner oppstår. Den første eksperimentelle demonstrasjonen av ekte mekanosyntese , etablering av kovalente bindinger ved bruk av rent mekaniske krefter på silisiumatomer, ikke karbonatomer, ble rapportert av Oyabu og kolleger i 2003. Det første DMS-patentet ble gitt i USA 30. mars 2010 til Robert A. Freitas Jr. * Mer presist er det håndtaksstrukturen som direkte mottar posisjonskontrollen og de påførte kreftene, ikke de vedlagte overføringsatomene. Men en bieffekt av å posisjonskontre håndtaket er at delen ved spissen også til en viss grad er posisjonsmessig begrenset, langt mer enn for eksempel en frigass- eller løsningsfasedel. |
|
I motsetning til roboter i makroskala, vil nanoskalamanipulatorer og nanoskalaprodukter på mellomstadier av fabrikasjon eller montering bli utsatt for termisk støy. Atomer og molekyler er i en konstant tilstand av sving og bevegelse. Jo høyere temperatur, desto kraftigere er bevegelsen. En teknikk som kan posisjonere individuelle
atomer er scanning probe microscope (SPM), der en skarp spiss bringes ned til overflaten av en prøve, og genererer et signal som lar den sonderte overflaten kartlegges, grovt analogt med en blind person som banker med en stokk for å kjenne veien videre. Noen SPM-er skyver bokstavelig talt på atomoverflaten og registrerer hvor hardt overflaten skyver tilbake, eller kobler sonden og overflaten til en spenningskilde og måler strømstrømmen når sonden kommer nær overflaten. En rekke andre probe-overflate-interaksjoner kan måles og brukes til å lage forskjellige typer SPM.
I tillegg til kartlegging kan SPM også endre en overflate – for eksempel ved å deponere individuelle atomer og molekyler i et ønsket mønster. I et godt publisert tilfelle i 1989 arrangerte forskere 35 xenonatomer på en nikkeloverflate for å danne bokstavene som identifiserte deres arbeidsgiver som “IBM”. Men denne SPM-manipulasjonen krevde avkjøling til 4 grader over absolutt null – neppe ideelle forhold for storskala produksjon. SPM-er har også høye feilfrekvenser til å kreve relativt sofistikerte feildeteksjons- og korrigeringsmetoder. Selv om disse systemene kan bevege seg rundt noen få atomer eller molekyler, kan de ikke produsere store mengder nøyaktig strukturert diamant av den typen som kan brukes til å bygge en molekylær robotarm.
Dagens SPM-er er også altfor trege. I naturen tar bakterieribosomer minst 25 millisekunder å legge til en enkelt aminosyre til et voksende protein under posisjonskontroll. Hvis en nanofabrikk-produksjonslinje eller
molekylær assembler skal produsere en kopi av seg selv (eller sin egen masse) på omtrent en dag, og hvis dette krever omtrent hundre millioner atomplasseringsoperasjoner, må hver slik operasjon fullføres på ~1 millisekund , en noe raskere driftsfrekvens enn ribosomet. Dagens SPM-er, derimot, kan ta opptil en time å ordne et enkelt atom eller molekyl. Store fremskritt innen SPM-hastighet og nøyaktighet vil være nødvendig for å oppnå pålitelig diamantmekanosyntese, og slike fremskritt er et eksplisitt eksperimentelt mål for Nanofabrikk samarbeid.
For å opprettholde riktig posisjon må verktøyspisshåndtaket og annen støttestruktur (og arbeidsstykket som DMS-verktøyet arbeider med) være ekstremt stivt. Styrken og tettheten til et materiale avhenger av antallet og styrken til bindingene som holder atomene sammen, og av atomenes massivitet. Grunnstoffet som passer best til disse kriteriene er karbon, som både er lett og danner sterkere bindinger enn andre grunnstoffer. Karbon-karbon-bindingen er spesielt sterk. Hvert karbonatom kan binde seg til fire naboatomer. Og karbonatomer kan gjøre det stiveste materialet tilgjengelig: diamant. I diamant skaper et tett nettverk av sterke bindinger et sterkt, relativt lett og veldig stivt materiale.
Arbeidsmiljøet for diamantmekanosyntese antas ofte å være et ultrahøyt vakuum (UHV), selv om DMS utført i en edelgassvæske eller et annet kjemisk inert væskemiljø ikke er utenkelig.
Ved å bruke dataautomatiserte verktøytips som utfører posisjonskontrollert DMS i lange programmerte sekvenser av reaksjonstrinn, kan vi kanskje fremstille enkle diamantformede nanomekaniske deler som lagre, tannhjul, stivere, fjærer, diamantlogiske stenger (illustrert til høyre) og foringsrør for å atompresisjon. Selv om det er sannsynlig at noen grunnleggende diamantformede strukturer kan produseres ved bruk av selvmonteringsteknikker fra konvensjonell syntetisk kjemi, virker det usannsynlig at flerfunksjons, svært
anstrengte eller komplekst sammenflettede strukturer kan fremstilles uten å bruke noen form for posisjonskontroll.
Verktøyene til diamantmekanosyntese
Det er allerede i dag mulig å syntetisere bulkdiamanter. I en prosess som minner litt om spraymaling bygger vi opp lag etter lag med diamant ved å holde en overflate i en sky av reaktive hydrogenatomer og hydrokarbonmolekyler. Når disse molekylene støter mot overflaten, endrer de den, enten ved å legge til, fjerne eller omorganisere atomer. Ved å nøye kontrollere trykket, temperaturen og den nøyaktige sammensetningen av gassen i denne prosessen – som kalles kjemisk dampavsetning eller CVD – kan vi skape forhold som favoriserer veksten av diamant på overflaten. Et typisk CVD-reaktoroppsett er illustrert til høyre.
Men å tilfeldig bombardere en overflate med reaktive molekyler gir ikke god kontroll over vekstprosessen og er mer som å bygge et armbåndsur med en sandblåser. For å oppnå atomisk presis fabrikasjon er den første utfordringen å sørge for at alle kjemiske reaksjoner vil skje på nøyaktig spesifiserte steder på overflaten. Et annet problem er hvordan man gjør diamantoverflaten reaktiv på de spesielle stedene der vi ønsker å legge til et annet atom eller molekyl. En diamantoverflate er normalt dekket med et lag med hydrogenatomer (hvite atomer i illustrasjonen av diamant-C(110)-overflaten til høyre). Uten dette laget ville den rå diamantoverflaten vært svært reaktiv fordi den ville være besatt med ubrukte (eller “dinglende”) bindinger fra det øverste planet av karbonatomer. Mens hydrogenering forhindrer uønskede reaksjoner, gjør den også hele overflaten inert, noe som gjør det vanskelig å tilsette karbon (eller noe annet) til den.
For å overvinne dette problemet kan vi bruke et sett med verktøy i molekylskala som i en rekke veldefinerte trinn vil forberede overflaten og lage hydrokarbonstrukturer på et diamantlag, atom for atom og molekyl for molekyl. Et mekanosyntetisk verktøy har to hovedkomponenter – en kjemisk aktiv verktøyspiss og et kjemisk inert håndtak som verktøyspissen er kovalent bundet til. Håndtaksstrukturen er posisjonsmanipulert ved hjelp av en SPM eller lignende instrumentalitet.
Minst tre grunnleggende mekanosyntetiske verktøy som allerede har mottatt betydelige teoretiske (og noen eksperimentelle) studier vil være nødvendig for å bygge atomisk presis diamant via posisjonskontroll:
(1) Hydrogenabstraksjonsverktøy,
(2) Karbonplasseringsverktøy, og
1 2 3
(1) Hydrogenabstraksjonsverktøy
Det første trinnet i prosessen med mekanosyntetisk fremstilling av diamant kan være å fjerne et hydrogenatom fra hver av to spesifikke tilstøtende flekker på diamantoverflaten, og etterlate to reaktive hengende
bindinger. Dette kan gjøres ved å bruke et hydrogenabstraksjonsverktøy – en fortsatt teoretisk molekylstruktur som har høy kjemisk affinitet for hydrogen i den ene enden, men som er inert andre steder.
Verktøyets ikke-reaktive område fungerer som et håndtak eller håndtaksfestepunkt. Verktøyet vil bli holdt av en molekylær posisjonsenhet, i utgangspunktet kanskje en skanningsprobe-mikroskopspiss, men til slutt en molekylær robotarm, og flyttet direkte over bestemte hydrogenatomer på overflaten. Et egnet molekyl for et hydrogenabstraksjonsverktøy er acetylenradikalet – to karbonatomer trippelbundet sammen. En karbon vil være håndtaksforbindelsen, og vil binde seg til et nanoskala posisjoneringsverktøy gjennom en større håndtaksstruktur som kanskje består av adamantan-bur som vist i illustrasjonen til høyre. Det andre karbonet har en dinglende binding der et hydrogenatom normalt vil være tilstede i et molekyl av vanlig acetylen (C2H2). Miljøet rundt verktøyet vil være inert (f.eks. vakuum eller en edelgass som neon).
Den mest detaljerte analysen av det mest studerte etynylbaserte hydrogenabstraksjonsverktøyet er rapportert
av Temelso et al (2006) som en av de mange samarbeidsinnsatsene som omfatter Nanofabrikk samarbeid. Ikke-etynylbaserte hydrogenabstraksjonsverktøy har blitt foreslått av andre, men har mottatt relativt begrenset teoretisk studie til dags dato. En praktisk metode for å bygge dette verktøyet ble foreslått og patentert i 2008 av Freitas og Merkle, og en eksperimentell test av dette forslaget er under arbeid.
1 2 3
(2) Karbonplasseringsverktøy
Når abstraksjonsverktøyet har skapt tilstøtende reaktive flekker ved selektivt å fjerne hydrogenatomer fra
diamantoverflaten, er det andre trinnet å avsette karbonatomer på de ønskede stedene. På denne måten bygges en diamantstruktur, molekyl for molekyl, etter planen.
Det første komplette verktøyet som noen gang er foreslått for denne karbonavsetningsfunksjonen, rapportert av Merkle og Freitas på en fremsynskonferanse i 2002, er DCB6 – dimerplasseringsverktøyet. En dimer er et molekyl som består av to av de samme atomene eller molekylene festet sammen. I dette tilfellet vil dimeren være C2 – to karbonatomer forbundet med en trippelbinding, med hvert karbon i dimeren koblet til en større ureaktiv håndtaksstruktur.
Dimerplasseringsverktøyet, også holdt av en molekylær posisjonsanordning, bringes nær de reaktive flekkene langs en bestemt bane, noe som får de to dinglende overflatebindingene til å reagere med endene av karbondimeren. Dimerplasseringsverktøyet vil da trekke seg tilbake, bryte de relativt svakere bindingene mellom det og CC-dimeren og overføre karbondimeren fra verktøyet til overflaten, som illustrert ovenfor. En posisjonskontrollert dimer kan festes nesten hvor som helst på et voksende diamantformet arbeidsstykke, og i prinsippet tillater konstruksjonen av et bredt utvalg av nyttige nanopartformer.
Fra 2006 er DCB6-dimerplasseringsverktøyet fortsatt det mest studerte av alle mekanosyntetiske verktøytips til dags dato, etter å ha hatt mer enn 150 000 CPU-timer med beregning investert så langt i analysen som en av de tidligste samarbeidstiltakene som omfatter Nanofabrikk samarbeid, ved å bruke to Beowulf-klynger ved
Zyvex. DCB6 – verktøytips-motivet er det eneste verktøytips-motivet som har blitt vellykket simulert for sin tiltenkte funksjon på en full 200-atoms diamantoverflate. 30. mars 2010, US patent nr. 7,687,146 ble utstedt på en metode for produksjon av DCB6-verktøyet – det første patentet noensinne utstedt på diamantmekanosyntese. Andre dimer (og relaterte karbonoverføring) verktøytipsmotiver som har blitt undersøkt mindre, men som også forventes å fungere godt, har blitt foreslått av Drexler (1992), Merkle (1997), Merkle og Freitas (2003), Allis og Drexler (2005), Freitas, Allis og Merkle (2006), Freitas og Merkle (2008) og andre, inkludert mest nyttig verktøyet GermylMethylene (GM) for å legge til metylgrupper til diamant, som først beskrevet av Freitas og Merkle i 2008.
1 2 3
(3) Hydrogendonasjonsverktøy
Etter at en atomisk presis struktur er blitt fremstilt av en rekke hydrogenabstraksjoner og karbonavsetninger,
må den fabrikkerte strukturen passiveres for å forhindre ytterligere uplanlagte reaksjoner.
Mens hydrogenabstraksjonsverktøyet er ment å gjøre en inert struktur reaktiv ved å skape en dinglende binding, gjør hydrogendonasjonsverktøyet det motsatte. Det gjør en reaktiv struktur inert ved å avslutte en dinglende binding. Et slikt verktøy vil bli brukt til å stabilisere reaktive overflater og bidra til å forhindre at overflateatomene omorganiserer seg på uventede og uønskede måter. Nøkkelkravet for et hydrogendonasjonsverktøy er at det inkluderer et svakt festet hydrogenatom. Mange molekyler passer til den beskrivelsen, men bindingen mellom hydrogen og germanium (eller tinn) er spesielt svak. Et Ge-basert (eller Sn-basert) hydrogendonasjonsverktøy bør være effektivt.
Den mest detaljerte analysen av det mest studerte substituerte-adamantan-baserte hydrogendonasjonsverktøyet ble rapportert av Temelso et al (2007) som en av samarbeidsinnsatsene som omfatter Nanofabrikk samarbeid. Alternative motiver for hydrogendonasjonsverktøy har blitt foreslått av andre, men har mottatt relativt begrensede teoretiske studier til dags dato.
Eksempler på mekanosyntetisk reaksjonssekvens
|
Mekanosyntetiske verktøy som brukes i denne reaksjonssekvensen:
|
|||
|---|---|---|---|
 |
 |
 |
 |
|
HAbst-verktøy
|
HDon-verktøy
|
GermylMethylene (GM) Verktøy
|
GeRad-verktøy
|
Her beskriver vi en typisk mekanosyntetisk reaksjonssekvens ved å bruke de fire atomisk presise verktøytipsene vist i tabellen ovenfor. Sekvenser som dette har blitt verifisert ved bruk av avanserte ab initio beregningsbaserte kjemiberegninger, men ikke eksperimentelt. Denne spesielle sekvensen kan brukes til å tilsette en CH3 til i det vesentlige et hvilket som helst valgt karbonatom på et hydrokarbonarbeidsstykke. I illustrasjonen nedenfor er arbeidsstykket representert av en klynge av atomer i bunnen av rammen som representerer et lite stykke C(100)-H(2×1) diamantoverflate. Karbonatomer er svarte, hydrogenatomer er hvite og germaniumatomer er gule.
Denne reaksjonssekvensen bruker tre verktøy direkte under fabrikasjonsprosessen: Hydrogen Abstraksjon (HAbst) verktøyet, GermylMethylene (GM) verktøyet og Hydrogen Donation (HDon) verktøyet. Utførelse av sekvensen produserer et brukt HAbst-verktøy og to GeRad-verktøy (Germanium Radical er en fjerde verktøytype) i prosessen, som må oppdateres før sekvensen gjentas på et andre sted. Reaksjoner for å forfriske disse verktøyene har også blitt foreslått og verifisert beregningsmessig, samt reaksjoner for å syntetisere alle verktøy og reaksjoner for å syntetisere et bredt spekter av nyttige hydrokarboner, inkludert diamant, grafitt, fullerener og mer.
Reaksjonssekvensen illustrert ovenfor fortsetter som følger:
(A) Et HAbst-verktøy nærmer seg et spesifikt hydrogenatom.
(B) HAbst-verktøyet trekker seg tilbake og frakter det abstraherte hydrogenatomet.
(C) Et GM-verktøy med CH2 -gruppen nærmer seg det radikale karbonatomet på arbeidsstykket.
(D) GM-verktøyet med CH2 -gruppen binder seg til arbeidsstykkets karbonatom.
(E) CH2 forblir bundet til arbeidsstykkets karbonatom når GM-verktøyet trekkes bort, og konverterer verktøyet til et GeRad-håndtak ved å løsne fra (bryte bindingen med) CH2.
(F) Et HDon-verktøy nærmer seg den nylig lagt til CH2-gruppen.
(G) Hydrogenatomet forlater HDon-verktøyet og binder seg til den svært reaktive CH2-gruppen, og produserer en stabil CH3-gruppe på arbeidsstykket; når verktøyet trekker seg tilbake, konverterer overføringen av hydrogenatomet HDon-verktøyet til et GeRad-håndtak.
Hvorfor bare diamant?
Disse flere molekylære verktøyene, pluss noen få andre, skulle gjøre oss i stand til å lage et bredt spekter av
atomisk presise stive strukturer sammensatt av hydrogen og karbon – for eksempel diamant.
Riktignok er dette et langt mindre ambisiøst første mål enn å forsøke å bruke alle 90+ naturlige kjemiske elementer i det periodiske systemet. Men i bytte for å begrense fokuset vårt til denne mer begrensede klassen av strukturer, gjør vi det mye lettere å analysere i detalj de strukturene som kan fremstilles og de syntetiske reaksjonene som trengs for å lage dem. Diamant og dens splintsikre varianter faller innenfor denne kategorien, det samme gjør fullerenene (plater av karbonatomer rullet inn i kuler, rør og andre former). Disse materialene kan komponere alle delene som trengs for grunnleggende nanomekaniske enheter som stivere, lagre (illustrasjon til høyre), tannhjul, stenger, hus og robotarmer.
Senere, ettersom våre analytiske og eksperimentelle evner i DMS modnes og flere verktøytips-motiver foreslås og analyseres, kan en håndfull tilleggselementer legges til, for eksempel dopingatomer for å fremstille elektroniske diamantenheter og silisium som erstatter karbon som et strukturelt buratom i noen applikasjoner.
Disse og relaterte strukturer, kanskje fortsatt hovedsakelig sammensatt av karbon og hydrogen, men nå i
kombinasjon med atomer av nitrogen, oksygen, silisium og noen få andre kjemiske elementer, vil fylle ut vår evne til å produsere et bredere spekter av hele klassen av “diamantoider“. “materialer. Dette vil muliggjøre et mye større mangfold av fabrikkerte produkter, for eksempel lagre i et bredere spekter av størrelser som bruker andre atomer (utover hydrogen og karbon) med forskjellige kovalente atomradier, som illustrert til høyre.
Hvordan kan vi bygge disse verktøyene?
Det første forslaget til en praktisk prosess for å bygge et DCB6Ge mekanosyntetisk verktøytips, av Freitas, ble
innlevert som en foreløpig patentsøknad i februar 2004 og som et fullstendig brukspatent av Zyvex i februar 2005 – det første mekanosyntesepatentet som noen gang er inngitt. Les en tidlig versjon av patentsøknaden her eller her.
Gjennomførbarheten av Freitas foreslåtte prosess har allerede mottatt verdifull og velkommen kritikk fra det vitenskapelige miljøet, og Freitas mener at en versjon av prosessen kan være tilstrekkelig levedyktig til å tjene som et viktig springbrett til mer sofistikerte DMS-tilnærminger.
Metoder for å bygge ytterligere tre DMS-verktøytips eksperimentelt med bare tilgjengelige laboratorieteknikker ble foreslått av Freitas og Merkle i 2008. I september 2007 da patentet ble innlevert, hadde kalibreringskjøringer begynt på nyervervet skannesondeutstyr som var forventet å bli brukt av våre eksperimentelle deltakere i et forsøk på å bygge det første DMS-verktøytipset ved hjelp av en av de foreslåtte DMS-reaksjonssekvensene.
Andre praktiske forslag for å bygge de første DMS-verktøytipsene, ved bruk av eksisterende teknologi, er ivrig ettertraktet av Nanofabrikk samarbeid.
Når de første DMS-verktøyene er bygget, kan de brukes til å bygge neste generasjon av mer presise, lettere oppladbare og generelt mye forbedrede mekanosyntetiske verktøy (illustrasjon til høyre). Sluttresultatet av denne iterative utviklingsprosessen vil være et modent sett med effektive, posisjonskontrollerte mekanosyntetiske verktøy som pålitelig kan bygge atomisk presise diamantformede strukturer – inkludert flere DMS-verktøy.
DMS-verktøy på samlebåndet
I en fabrikkproduksjonslinje kan individuelle DMS-verktøytips festes til stive bevegelige støttestrukturer og ledes gjennom gjentatte kontakthendelser med arbeidsstykker, ladestasjoner og andre på lignende måte festede verktøytips. Disse molekylmøllene kan dermed utføre repeterende fremstillingstrinn ved å bruke enkle, effektive mekanismer. Freser kan i prinsippet drives ved høye hastigheter – med posisjonelt begrensede mekanosyntetiske møter som muligens forekommer ved opptil megahertz-frekvenser.
Ved å bruke dataautomatiserte verktøytips som utfører posisjonskontrollert DMS i lange programmerte sekvenser av reaksjonstrinn, kan vi være i stand til å fremstille enkle diamantformede nanomekaniske deler som lagre, tannhjul, stivere, fjærer, logiske stenger og foringsrør til atompresisjon.
Tidlige verktøy ville gå fra enkelt DMS-verktøy manipulert av SPM-lignende mekanismer, til mer komplekse multitip-verktøy og jigs som de enkle verktøyene kunne lage, en om gangen. Disse hjelpeverktøyene vil deretter bli brukt for å skape en progresjon av mer dyktige verktøy og mekanismer, en utviklingslinje som ender i produksjonslinjer som er konseptuelt lik de som er illustrert (kun skjematisk) til høyre.
Tilleggsressurser
Kommentert bibliografi om diamantmekanosyntese (DMS)
Landmark “minimalt verktøysett” papir om DMS av Freitas og Merkle i 2008
Liste over gjenværende Tekniske utfordringer for å oppnå diamantmekanosyntese
Første patent innlevert på diamantmekanosyntese; US patent 7 687 146 ble utstedt 30. mars 2010
Andre patent noen gang inngitt på diamantmekanosyntese
Teknisk bok: Diamantoverflater og diamantmekanosyntese (under forberedelse)
Bibliotek med design av mekanosyntetiske verktøy (under konstruksjon)
Skriftlig innhold på denne siden © 2006-18 Robert A. Freitas Jr. og Ralph C. Merkle
Bildekreditt: Nanofabrikk, samlebånd — © John Burch, Lizard Fire Studios. Molecule Tooltip — © Forrest Bishop. DMS Tool Sequence, DMS Tooltip on Handle, Diamond Logic Rod, Hydrogenated C(110) Surface, 3-Tooltip Stick Figures, and Large DMS Tool — Robert A. Freitas Jr. DCB6Ge Verktøytips — Ralph Merkle. H-Abstraction Animation og H-donasjonsverktøy — Berhane Temelso. Skanneprobemikroskopdiagram — Antoine Dagan, CNRS Intl. Mag, våren 2006, s. 20. IBM i atomer — IBM Corporation. CVD-reaktor — Gareth Fuge, mai 2001. To diamantlager — designer Ralph Merkle, bilde laget av atomkoordinatfiler av Robert Freitas. Multi-Element Bearing — designere K. Eric Drexler og Ralph Merkle. Molecular Mill — K. Eric Drexler. Opphavsrett gjelder for alle bilder.