Tā ir maza, maza, maza, maza pasaule

Materiālu īpašības ir atkarīgas no to atomu izvietojuma. Pārkārtojiet atomus oglēs, un jūs iegūsit dimantus. Pārkārtojiet atomus augsnē, ūdenī un gaisā, un jums ir zāle. Kopš cilvēki pirmo reizi izgatavoja akmens darbarīkus un krama nažus, mēs esam manipulējuši ar atomiem milzīgos statistikas ganāmpulkos, lejot, frēzējot, slīpējot un šķeldot materiālus. Mēs pārkārtojam atomus smiltīs, piemēram, pievienojam šķipsniņu piemaisījumu un ražojam datoru mikroshēmas. Mēs tajā esam kļuvuši arvien labāki un varam izgatavot vairāk lietu par zemākām izmaksām un ar lielāku precizitāti nekā jebkad agrāk.

Pat mūsu visprecīzākajā darbā mēs pārvietojam atomus masīvās kaudzēs un nesakoptās kaudzes — miljonus vai miljardus vienlaikus. Tomēr teorētiskās analīzes skaidri parāda, ka mums vajadzētu spēt pārkārtot atomus un molekulas pa vienam ar katru atomu tieši vajadzīgajā vietā, tāpat kā mēs varētu sakārtot Lego klučus, lai izveidotu ēkas modeli vai vienkāršu mašīnu. Šī tehnoloģija, ko bieži sauc par nanotehnoloģiju vai molekulāro ražošanu, ļaus mums padarīt lielāko daļu produktu vieglāku, spēcīgāku, viedāku, lētāku, tīrāku un precīzāku.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 1997. gada februāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Sekas būtu lieliskas. Iesācējiem mēs varētu turpināt datoru aparatūras revolūciju līdz pat molekulārā izmēra slēdžiem un vadiem. Iespēja būvēt lietas pa molekulām ļautu mums izveidot arī jaunu strukturālo materiālu klasi, kas būtu vairāk nekā 50 reizes stiprāka par tāda paša svara tēraudu: Cadillac varētu svērt 100 mārciņas; pilna izmēra dīvānu varēja pacelt ar vienu roku. Spēja veidot molekulu pa molekulai varētu arī sniegt mums tik precīzus un veiklus ķirurģiskus instrumentus, ka tie varētu iedarboties uz šūnām un pat molekulām, no kurām mēs esam izgatavoti.

Iespēja izgatavot šādus izstrādājumus, iespējams, ir dažu gadu desmitu attālumā. Taču teorētiskie un skaitļošanas modeļi sniedz pārliecību, ka uzdevumam nepieciešamās molekulārās ražošanas sistēmas ir iespējamas — ka tās nepārkāpj esošos fiziskos likumus. Šie modeļi arī sniedz mums priekšstatu par to, kā varētu izskatīties molekulārās ražošanas sistēma. Tas ir svarīgs pamats: galu galā elektriskā releja pamatideja bija zināma 19. gadsimta 20. gados, un jēdziens par mehānisku datoru, kas darbojās ar saglabātu instrukciju kopu — programmu, tika saprasts dažus gadus vēlāk. Bet datori ar relejiem tika uzbūvēti tikai daudz vēlāk, jo nebija labas teorētiskās izpratnes par aprēķiniem. Mūsdienās zinātnieki izstrādā daudzus rīkus un paņēmienus, kas būs nepieciešami, lai nanotehnoloģiju pārveidotu no datormodeļiem par realitāti. Lai gan lielākā daļa paliek teorijas jomā, šķiet, ka nav būtisku šķēršļu to attīstībai.

Nano instrumentu lāde

Iedomājieties, ka maisiņā ievietojat dažus vadus, tranzistorus un citus elektroniskus komponentus, sakrata to un izvelk radio pilnībā samontētu un gatavu darbam. Lai gan tas izklausās izdomāti, šāda ievērojama pašsavienošanās būtībā ir tas, ko ķīmiķi dara ikreiz, kad viņi sintezē materiālus. Sajaucot šķīdumus vārglāzē, ķīmiķis ļauj pārņemt noteiktu molekulu un atomu raksturīgo pievilcību un atgrūšanos. Māksla un zinātne ir attīstījusies, lai sakārtotu apstākļus tā, lai atomi spontāni saliktu noteiktās molekulārās struktūrās.

Tāpat mūs ieskauj un iedvesmo produkti, kas ir brīnišķīgi sarežģīti un tomēr ļoti lēti. Piemēram, kartupeļi sastāv no desmitiem tūkstošu gēnu un proteīnu un sarežģītas molekulārās iekārtas; tomēr mēs neko nedomājam par šo bioloģijas brīnumu, kas sajaukts ar mazu sviestu. Kartupeļi kopā ar daudziem citiem lauksaimniecības produktiem maksā mazāk nekā dolāru par mārciņu. Galvenais iemesls: ja kartupeļos ir nedaudz augsnes, ūdens, gaisa un saules gaismas, kartupeļi var iegūt vairāk kartupeļu. Tāpat, ja mēs varētu izveidot vispārējas nozīmes programmējamu ražošanas ierīci, kas varētu izgatavot pašas kopijas, ko nanotehnoloģiju pētnieki sauc par montētāju, tad gan ierīces, gan visa tā izgatavotā ražošanas izmaksas varētu būt zemas.

Pašmontāžas pamatprincips ir selektīva lipīgums. Ja divām molekulārajām daļām ir komplementāras formas un lādiņu modeļi, tas ir, vienai ir iedobums, kur otrai ir izciļņa, vai vienai ir pozitīvs lādiņš, kur otrai ir negatīvs lādiņš, tad tām ir tendence salipt kopā noteiktā veidā. veidot lielāku daļu. Šo lielāko daļu var apvienot tādā pašā veidā ar citām daļām, lai no molekulārajām daļām veidojas sarežģīts veselums.

Tomēr pašmontāža pati par sevi nav pietiekama, lai izveidotu plašo produktu klāstu, ko sola nanotehnoloģija. Piemēram, ja daļas ir bez izšķirības lipīgas, tad, sajaucot tās kopā, precīzas molekulārās mašīnas vietā veidojas netīri plankumi. Mēs varam atrisināt šo problēmu, turot molekulārās daļas pareizā stāvoklī un orientācijā, lai, pieskaroties tām, tās savienotos kopā tā, kā mēs to vēlamies. Makroskopiskā mērogā ideja, ka mēs varam turēt detaļas rokās un salikt tās, pareizi novietojot tās viena pret otru, atgriežas aizvēsturē: mēs slavējam sevi kā rīkus izmantojošo sugu. Taču ideja par molekulu turēšanu un pozicionēšanu ir jauna un gandrīz šokējoša. Jāizstrādā roku un roku nanomēroga ekvivalenti.

Pašreizējie priekšlikumi par molekulārās mēroga pozicionēšanas ierīcēm atgādina normāla izmēra robotizētas ierīces, taču tās ir aptuveni desmitmiljonu daļas lielākas. Molekulārā robotu roka varētu sistemātiski slaucīt uz priekšu un atpakaļ, pievienojot un izvelkot no virsmas atomus, lai izveidotu jebkuru struktūru, ko dators tam ir norādījis. Šāda roka, kas sastāv no dažiem miljoniem atomu, varētu būt 100 nanometrus gara un 30 nanometrus apkārt. Lai gan tai būtu aptuveni 100 kustīgas daļas, tajā nebūtu izmantotas smērvielas — šādā mērogā smērvielas molekula ir vairāk kā smilšu gabals. Šādiem ultraminiatūriem instrumentiem jāspēj novietot to galus nelielā atoma diametra daļā. Triljoniem šādu ierīču aizņemtu nedaudz vairāk par dažiem kubikmilimetriem (starpiņš, kas ir nedaudz lielāks par adatas galvu).

Molekulārās rokas būtu satriektas ar kaut ko tādu, par ko mēs makroskopiskā mērogā neuztraucamies: termiskais troksnis. Atomi un molekulas atrodas pastāvīgā šūpošanās un šūpošanās stāvoklī; jo augstāka temperatūra, jo enerģiskāka ir kustība. Tāpēc, lai saglabātu savu pozīciju, nanomēroga rokai jābūt ārkārtīgi stīvai.

Stingrākais materiāls apkārt ir dimants. Materiāla stiprums un vieglums ir atkarīgs no saišu skaita un stipruma, kas satur kopā tā atomus, un no atomu viegluma. Elements, kas vislabāk atbilst abiem kritērijiem, ir ogleklis, kas ir viegls un veido spēcīgākas saites nekā jebkurš cits atoms. Īpaši spēcīga ir oglekļa-oglekļa saite; katrs oglekļa atoms var saistīties ar četriem blakus esošajiem atomiem. Tādējādi dimantā blīvs spēcīgu saišu tīkls rada spēcīgu, vieglu un stingru materiālu. Patiešām, tāpat kā mēs nosaucām akmens laikmetu, bronzas laikmetu un tērauda laikmetu pēc materiāliem, ko varēja izgatavot cilvēki, mēs varētu saukt jauno tehnoloģiju laikmetu, kurā mēs ieejam, par dimanta laikmetu.

Kā var izgatavot šāda mēroga dimanta ierīci? Viena atbilde ir, aplūkojot, kā mēs šodien audzējam dimantus. Procesā, kas nedaudz atgādina krāsošanu ar aerosolu, mēs veidojam dimanta slāni pēc kārtas, turot virsmu reaktīvo ūdeņraža atomu un ogļūdeņražu molekulu mākonī. Kad šīs molekulas saskaras ar virsmu, tās to maina, pievienojot, noņemot vai pārkārtojot atomus. Rūpīgi kontrolējot spiedienu, temperatūru un precīzu gāzes sastāvu šajā procesā, ko sauc par ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD), mēs varam radīt apstākļus, kas veicina dimanta augšanu uz virsmas.

Taču nejauša virsmas bombardēšana ar reaktīvām molekulām nesniedz precīzu augšanas procesa kontroli; tas ir līdzīgs mēģinājumam izveidot rokas pulksteni, izmantojot smilšu strūklu. Mēs vēlamies, lai ķīmiskās reakcijas notiktu tieši tajās virsmas vietās, kuras mēs norādām. Otra problēma ir, kā padarīt dimanta virsmu reaktīvu konkrētajos punktos, kur mēs vēlamies pievienot vēl vienu atomu vai molekulu. Dimanta virsma parasti ir pārklāta ar ūdeņraža atomu slāni. Bez šī slāņa neapstrādātā dimanta virsma būtu ļoti reaģējoša, jo tā būtu saistīta ar oglekļa atomu neizmantotajām (vai karājošajām) saitēm. Lai gan hidrogenēšana novērš nevēlamas reakcijas, tā arī padara visu virsmu inertu, apgrūtinot oglekļa (vai jebko citu) pievienošanu tai.

Lai pārvarētu šo problēmu, mēs varētu izmantot molekulārā mēroga rīku komplektu, kas vairākos posmos sagatavotu virsmu un izveidotu struktūras uz dimanta slāņa, atomu pēc atoma un molekulu pēc molekulas. Pirmais solis šajā procesā būtu noņemt ūdeņraža atomu no noteiktas vietas uz dimanta virsmas, atstājot aiz sevis reaktīvu karājošo saiti. To var izdarīt ar ūdeņraža abstrakcijas rīku — molekulāro struktūru, kuras vienā galā ir augsta ķīmiskā afinitāte pret ūdeņradi, bet citur tā ir inerta. Rīka nereaģējošais apgabals kalpo kā sava veida rokturis. Instrumentu turētu molekulārā pozicionēšanas ierīce, piemēram, molekulārā robotu roka, par kuru tika runāts iepriekš, un tas tiktu pārvietots tieši virs konkrētiem ūdeņraža atomiem uz virsmas, kuru vēlamies abstrahēt.

Tas rada vistas un olas problēmu: mums ir nepieciešama molekulāra robotu roka, lai izveidotu citu molekulāro robotu roku. Lai atrisinātu šo problēmu, mums kādā brīdī ir jāizveido molekulāra robotu roka ar kaut ko citu, nevis molekulāro robotu. Mēs varētu, piemēram, izmantot makroskopisku pozicionēšanas ierīci, piemēram, esošā atomu spēka mikroskopa uzlabotu versiju, lai izveidotu savu pirmo molekulāro robotu. Alternatīvi, mēs varētu paši montēt vienkāršotu molekulāro pozicionēšanas ierīci. Pēc tam šīs pirmās neapstrādātās pozicionēšanas ierīces varētu izmantot, lai izveidotu labākas.

Viena piemērota molekula ūdeņraža abstrakcijas instrumentam ir acetilēna radikālis — divi oglekļa atomi, kas ir trīskārši saistīti kopā. Viens ogleklis būtu rokturis, un tas būtu saistīts ar nanomēroga pozicionēšanas rīku. Otram ogleklim ir karājoša saite, kur ūdeņraža atoms būtu parastajā acetilēnā. Vide ap instrumentu būtu inerta (tipiski priekšlikumi ietver vakuuma vai cēlgāzes, piemēram, kriptona vai ksenona, izmantošanu).

Kad šis rīks ir izveidojis reaktīvu vietu, selektīvi noņemot ūdeņraža atomus no dimanta virsmas, kļūst iespējams nogulsnēt oglekļa atomus vēlamajās vietās. Tādā veidā saskaņā ar plānu tiek veidota dimanta struktūra, molekula pa molekulai. Viens no šīs funkcijas priekšlikumiem ir dimēra nogulsnēšanas rīks. Dimērs ir molekula, kas sastāv no diviem vienādiem atomiem vai molekulām, kas salīmētas kopā. Šajā gadījumā dimērs būtu C2-divi oglekļa atomi, kas savienoti ar trīskāršo saiti. Nogulsnēšanas rīkā katrs ogleklis dimērā būtu savienots ar lielāku molekulu ar atsevišķām saitēm ar skābekļa atomiem.

Ūdeņraža abstrakcijas rīks un dimēra nogulsnēšanas rīks darbotos kopā (skatiet attēlu iepriekš). Pirmkārt, abstrakcijas rīks noņemtu divus blakus esošos ūdeņraža atomus no dimanta virsmas. Abas karājošās saites reaģētu ar oglekļa dimēra galiem. Šī reakcija izjauktu oglekļa-skābekļa saites un pēc tam pārnestu oglekļa dimēru no instrumenta uz virsmu. Tā kā reakcijas laikā izdalītā enerģija ir daudz lielāka nekā termiskais troksnis, dimērs noklikšķinās uz virsmas un paliks tur.

Trešais ierosinātais rīks nanostruktūru veidošanai ir karbēna ievietošanas rīks. Karbēni — ļoti reaģējoši oglekļa atomi ar divām karājošām saitēm — reaģēs ar daudzām molekulārām struktūrām (un pievienos tām oglekļa atomu). Karbēni viegli ievietosies dubultās vai trīskāršās saitēs, piemēram, saite oglekļa-oglekļa dimērā, kas aprakstīts iepriekš. Pozicionāli kontrolētu karbēnu var piestiprināt gandrīz jebkur uz augošas molekulārās sagataves, tādējādi veidojot praktiski jebkuru vēlamo formu.

Ceturtais priekšlikums ir par ūdeņraža nogulsnēšanas rīku. Ja ūdeņraža ieguves rīks ir paredzēts, lai padarītu inertu struktūru reaktīvu, izveidojot karājošo saiti, ūdeņraža nogulsnēšanas rīks darītu pretējo: padarītu reaktīvo struktūru inertu, pārtraucot karājošās saites. Šāds rīks ļautu mums stabilizēt reaktīvās virsmas un novērst virsmas atomu pārkārtošanos negaidītā un nevēlamā veidā. Galvenā prasība šādam instrumentam ir, lai tajā būtu vāji piesaistīts ūdeņraža atoms. Lai gan daudzas molekulas atbilst šim aprakstam, saite starp ūdeņradi un alvu ir īpaši vāja; tādējādi ūdeņraža nogulsnēšanas instrumentam uz alvas bāzes jābūt efektīvam.

Šiem četriem molekulārajiem instrumentiem vajadzētu ļaut mums izveidot plašu stingru struktūru klāstu, bet tikai tās, kas sastāv no ūdeņraža un oglekļa. Tas ir daudz mazāk ambiciozs mērķis nekā mēģinājums izmantot visus aptuveni 100 periodiskās tabulas elementus. Bet apmaiņā pret to, ka mēs aprobežojamies ar šo ierobežotāko struktūru klasi, mēs daudz vieglāk analizējam tos, kurus var izgatavot, un to izveidošanai nepieciešamās sintētiskās reakcijas. Jebkurā gadījumā šo šaurāko priekšlikumu var vieglāk un rūpīgāk izpētīt nekā pilnu nanotehnoloģiju. Un dimants un tā neplīstošie varianti ietilpst šajā kategorijā, tāpat kā fullerēnu loksnes no oglekļa atomiem, kas velmētas sfērās, caurulēs un citās formās. Šie materiāli var veidot visas detaļas, kas nepieciešamas pamata mehāniskajām ierīcēm, piemēram, statņiem, gultņiem, zobratiem un robotu rokām.

Galu galā mēs vēlamies pievienot citus elementus, piemēram, lai izveidotu dimanta elektroniskās ierīces vai pievienotu nedaudz slāpekļa gultņa iekšējai virsmai, lai mazinātu spriedzi (oglekļa-slāpekļa saite ir garāka nekā oglekļa-oglekļa saite). . Šādas struktūras, kas galvenokārt sastāv no oglekļa un ūdeņraža kombinācijā ar slāpekli, skābekli, fluoru, silīciju, fosforu, sēru vai hloru, veido to, ko mēs saucam par dimondoīdu materiālu klasi.

Dimanta laikmets

Dabīgais dimants ir dārgs, mēs nevaram to izveidot tādās formās, kādus vēlamies, un tas saplīst. Nanotehnoloģijas ļaus mums lēti izgatavot neplīstošu dimantu (ar struktūru, kas varētu atgādināt dimanta šķiedras) tieši tādās formās, kādas mēs vēlamies. Tas ļautu mums izveidot Boeing 747, kas svērtu vienu piecdesmito daļu no mūsdienu versijām, nezaudējot spēku. Arī kosmosa ceļojumu ieguvums būtu dramatisks. Izturības un svara attiecība un komponentu izmaksas ir būtiskas kosmosa kuģu veiktspējai un ekonomijai: nanotehnoloģija varētu uzlabot abus šos parametrus par aptuveni divām kārtām.

Nanotehnoloģijas varētu arī radikāli mainīt enerģijas ražošanas ekonomiku. Saule varētu nodrošināt daudz vairāk enerģijas, nekā cilvēki tagad izmanto, un darīt to tīrāk un lētāk nekā fosilais kurināmais un kodolreaktori, ja vien mēs varētu izgatavot lētas saules baterijas un baterijas. Mēs jau zinām, kā izveidot efektīvas saules baterijas: nanotehnoloģija varētu samazināt to izmaksas, beidzot padarot saules enerģiju ekonomisku. Šajā lietojumprogrammā mums nav jāizveido jaunas vai tehniski labākas ierīces; tikai lēti ražojot to, ko mēs jau zinām, kā dārgi izgatavot, mēs pārceltu saules enerģiju uz galveno virzienu.

Datoru mikroshēmu ražošanā varētu notikt pamatīgas pārmaiņas. Šķiet, ka ir būtiski ierobežojumi tam, cik daudz mēs varam uzlabot litogrāfiju, procesu, kurā tagad tiek izgatavotas mikroshēmas. Litogrāfijā (burtiski, akmens rakstībā) uz silīcija plāksnītes zīmējam smalkas līnijas, izmantojot no fotogrāfijas aizgūtām metodēm. Gaismas jutīga plēve, ko sauc par pretestību, ir izkliedēta virs silīcija plāksnītes. Resist tiek pakļauts sarežģītam gaismas un tumsas paraugam, piemēram, negatīvam kamerā, un tiek attīstīts. Atkārtojot šo procesu, var izveidot sarežģītu bloķēšanas modeļu kopu, kas nosaka datora mikroshēmas sarežģītos loģiskos elementus.

Bet atomu sakārtošana, metot fotonus (vai citas daļiņas) uz virsmu no attāluma, nešķiet labākā pieeja, it īpaši, ja mēs vēlamies izmantot trīs dimensijas, nevis tikai divas; iedomājieties, ka uzbūvējat automašīnu, metot tai instrumentus no vairāk nekā jūdzes attāluma. Tādējādi, ja datoru aparatūras uzlabojumi turpināsies pašreizējā tempā, pēc aptuveni desmit gadiem mums būs jāpāriet no litogrāfijas uz kādu jaunu ražošanas tehnoloģiju. Jau ir ierosināti datoru loģikas elementu modeļi, kas sastāv no mazāk nekā 1000 atomiem, taču katram atomam tik mazā ierīcē ir jāatrodas tieši pareizajā vietā. Un ķīmisko vielu izsmidzināšana vienkārši nevar sakārtot atomus ar nepieciešamo precizitāti.

Par laimi, dimants ir lielisks elektronisks materiāls. Vairākos galvenajos aspektos tas pārspēj silīciju. Pirmkārt, elektroni dimantā pārvietojas ātrāk nekā silīcijā. Dimants var arī strādāt labāk nekā silīcijs augstā temperatūrā. Tas ir svarīgi, jo, mikroshēmām kļūstot arvien ātrāk un ātrāk, to veiktspēju ierobežo nepieciešamība izkliedēt ķēdē uzkrājušos siltumu.

Dimantam šī priekšrocība ir divu iemeslu dēļ. Pirmkārt, dimantam ir lielāka siltumvadītspēja nekā silīcijam, kas ļauj siltumam ātrāk izvadīt no dimanta tranzistora. Otrkārt, dimantam ir lielāka joslas atstarpe nekā silīcija-5,5 elektronu volti, pretstatā 1,1 elektronu voltiem silīcijā. Joslas sprauga ir minimālais enerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai elektronu no tā relatīvi nekustīgā stāvokļa palielinātu pusvadītāja vadīšanas joslā, kur elektrons brīvi pārvietojas sprieguma ietekmē. Paaugstinoties temperatūrai, vairāk elektronu iegūst enerģiju, kas nepieciešama, lai pārietu vadītspējas joslā. Ja to dara pārāk daudz elektronu, ierīce no pusvadītāja pārvēršas par vadītāju; tranzistors izslēdzas un pārstāj darboties. Dimanta lielāka joslas atstarpe nozīmē, ka tas izslēdzas īssavienojumā augstākā temperatūrā.

Izmantojot nanotehnoloģiju, mums vajadzētu spēt izveidot lielapjoma atmiņas ierīces, kas spēj uzglabāt vairāk nekā 100 miljardus miljardu baitu cukura kuba lielumā, un masveidā paralēlus tāda paša izmēra datorus, kas spēj nodrošināt miljardu miljardu instrukciju sekundē. miljardu reižu vairāk nekā mūsdienu galddatori.

Nanomēroga ierīču pieejamība varētu radikāli mainīt arī ķirurģiju. Mūsdienās pastāv būtiska neatbilstība starp traumu ārstēšanai nepieciešamo un mūsu rīku iespējām. Šūnu un molekulārā iekārta mūsu audos ir maza un precīza, tomēr mūsdienu skalpeļi, kā to redz šūna, ir neapstrādātas izkaptis, kas pārrauj audus, atstājot atmirušās un sakropļotas šūnas. Vienīgais iemesls, kāpēc mūsdienu ķirurģija darbojas, ir ievērojamā šūnu spēja pārgrupēties, aprakt mirušos un dziedēt virs brūces.

Ķirurģijas instrumentiem, kas ir molekulāri gan izmēra, gan precizitātes ziņā, vajadzētu ļaut mums tieši molekulārā un šūnu līmenī izārstēt traumas, kas izraisa slimības. Piemēram, molekulāra robotu roka, kuras garums ir mazāks par 100 nanometriem, viegli iekļautos asinsrites sistēmā (viena sarkanā asins šūna ir aptuveni 8000 nanometru diametrā) un pat varētu iespiesties atsevišķu šūnu iekšpusē.

Viens pielietojums būtu vēža terapijā. Mēs varētu izveidot nelielu ierīci, kas spēj identificēt un nogalināt vēža šūnas. Ierīce, kurā būtu iekļauts nanomēroga dators un vairākas saistīšanās vietas, kas ir veidotas tā, lai tās atbilstu noteiktām molekulām, brīvi cirkulētu visā ķermenī, periodiski paraugus no tās vides, nosakot, vai tās saistīšanās vietas ir aizņemtas. Jo biežāk vieta tika aizņemta, jo augstāka ir molekulas koncentrācija, kurai šī vieta bija paredzēta. Nanoierīce ar duci dažādu saistīšanās vietu veidu varētu šādā veidā uzraudzīt duci dažādu veidu molekulu koncentrāciju, kas parasti rodas organismā, bet kuru koncentrācija viena pret otru mainās, kad ir vēzis. Dators varētu noteikt, vai koncentrāciju profils atbilst iepriekš ieprogrammētam profilam, un, atklājot vēža profilu, tas atbrīvotu indi, kas selektīvi nogalina vēža šūnas.

Katrā ierīcē varētu būt iekļauts nanomēroga spiediena sensors, kas ļautu vēža slepkavam saņemt norādījumus, izmantojot ultraskaņas signālus megahercu diapazonā. Klausoties vairākus makroskopiskus akustisko signālu avotus, ierīce varētu noteikt savu atrašanās vietu ķermenī, tāpat kā radio uztvērējs uz zemes var izmantot pārraides no vairākiem satelītiem, lai noteiktu savu atrašanās vietu. Apziņa par savu atrašanās vietu organismā palīdzētu ierīcei izlemt, vai tā atrodas vēža tuvumā. Ja nav informācijas par atrašanās vietu, tas dažkārt var kļūdaini izdalīt inde šūnā, kas, šķiet, ir vēža šūna. Ja mērķis būtu, piemēram, nogalināt resnās zarnas vēzi, vēža slepkava lielajā pirksta neizdalītu savu indi neatkarīgi no tā, ko vēža sensori tam teica.

Kā mēs varam tur nokļūt?

Šeit aprakstītās brīnišķīgās iespējas lielākoties ir teorētiskas. Kā tās var padarīt reālas? Kā mēs varam izveidot vispārējas nozīmes programmējamu ražošanas sistēmu, izmantojot ļoti reaģējošus, pozicionāli kontrolētus instrumentus, kas varētu lēti izgatavot lielāko daļu dimanta konstrukciju?

Šī izaicinājuma apmēru nevajadzētu novērtēt par zemu. Iesniedziet priekšlikumus par montētāju, kas spēj izgatavot dimanta struktūras, ietver simtiem miljonu vai miljardu atomu, un neviens atoms nav nevietā. Pat vienkāršai robota rokai, kas varētu sastāvēt tikai no dažiem miljoniem atomu, būtu jāpievieno citas sastāvdaļas. Piemēram, robotizētās rokas darbotos vakuumā, lai ap roku būtu nepieciešams apvalks, lai uzturētu šo vakuumu. Citi palīgrīki, kas būs nepieciešami, ietver akustiskos uztvērējus, datorus, ar spiedienu darbināmus sprūdratus un saistīšanas vietas. Ja katra darbība, piemēram, ūdeņraža abstrakcija vai karbēna nogulsnēšana, parasti apstrādā vienu vai dažus atomus, kļūdu īpatsvaram jābūt mazākam par vienu no miljarda.

Lai gan teorētiski šāda pilnība ir sasniedzama, mūsdienu tehnoloģijas nav uzdevumu augstumos. Ķīmiskās sintēzes process, ko ķīmiķi uzskata par ļoti labu, pārvērš 99 procentus reaģentu vēlamajā produktā. Tomēr šī 99 procentu raža ir kļūdas līmenis viens no 100, kas ir desmit miljonus reižu mazāk ideāls, nekā mēs vēlamies pēc nobriedušas nanotehnoloģijas. Proteīnu sintēzei no aminoskābēm, ko veic ribosomas, kļūdu līmenis, iespējams, ir viens no 10 000. DNS, paļaujoties uz plašu kļūdu noteikšanu un korekciju, kā arī iebūvēto dublēšanu (molekulai ir divas komplementāras virknes), atkārtojoties pati, sasniedz kļūdu līmeni aptuveni viena bāze no miljarda.

Neviena esošā tehnoloģija nevar sasniegt šādu veiktspējas līmeni. Viens no paņēmieniem, kas var pozicionēt atsevišķus atomus, piemēram, ir skenēšanas zondes mikroskops (SPM), kurā asu galu nolaiž uz parauga virsmu, lai tiktu ģenerēts signāls, kas ļauj noteikt zondējamo virsmu. kā akls cilvēks, kurš piesit ar spieķi, lai sajustu priekšā esošo ceļu. Daži SPM burtiski spiež uz virsmas un atzīmē, cik smagi virsma atspiežas. Citi savieno virsmu un zondi ar sprieguma avotu un mēra strāvas plūsmu, kad zonde tuvojas virsmai. Var izmērīt daudzas citas zondes virsmas mijiedarbības, un tās izmanto, lai izveidotu dažāda veida SPM.

SPM var ne tikai kartēt virsmu, bet, piemēram, var mainīt to, nogulsnējot atsevišķus atomus un molekulas vēlamajā modelī. Plaši publicētā gadījumā zinātnieki uz niķeļa virsmas izkārtoja 35 ksenona atomus, veidojot burtus, kas identificē viņu darba devēju: IBM. Bet šai SPM manipulācijai bija nepieciešama dzesēšana līdz 4 grādiem virs absolūtās nulles — ne gluži ideāli apstākļi liela mēroga ražošanai. Pavisam nesen IBM zinātnieki ir precīzi izkārtojuši molekulas istabas temperatūrā uz vara virsmas. Tomēr SPM kļūdu līmenis ir pietiekami augsts, lai tiem būtu jāizmanto salīdzinoši sarežģītas kļūdu noteikšanas un labošanas metodes. Un, lai gan šīs sistēmas var pārvietoties ap dažiem atomiem vai molekulām, tās nevar ražot lielu daudzumu precīzi strukturētu dimantu, tādus, kādus varētu izmantot, lai uzbūvētu automašīnu vai lidmašīnu.

Visbeidzot, mūsdienu SPM ir pārāk lēni. Dabā ribosomām nepieciešamas desmitiem milisekundes, lai augošam proteīnam pievienotu vienu aminoskābi. Bet, ja montētājam ir jāizgatavo sava kopija aptuveni vienas dienas laikā un ja tas aizņem dažus simtus miljonu darbību, tad katrai darbībai ir jānotiek milisekundes daļā. Turpretim SPM dažu atomu vai molekulu sakārtošana prasa stundas. Tā vietā, lai mēģinātu atrisināt visas šīs problēmas ar vienu milzīgu lēcienu, mēs varētu tām pievērsties pakāpeniskāk, attīstot virkni starpposma sistēmu. Viena pieeja, piemēram, būtu likvidēt prasību, ka montētājs ir izgatavots no dimanta konstrukcijām. Diamondoid ir pievilcīgs, kā mēs redzējām, tā stiprības, stingrības un elektrisko īpašību dēļ. Bet starpposma sistēmai ir jāspēj izveidot tikai progresīvāka sistēma un, iespējams, produkti, kas ir iespaidīgi salīdzinājumā ar mūsdienu produktiem. Tam pašam nav jābūt dimantoīdam.

Tas liecina par to, ko varētu saukt par nanotehnoloģiju, kas balstīta uz celtniecības blokiem. Tā vietā, lai veidotu dimantu, mēs veidosim kādu citu materiālu no salīdzinoši lielām molekulārām vienībām, kas sastāv no desmitiem, simtiem vai pat tūkstošiem atomu. Šādi lieli celtniecības bloki samazina montāžas soļu skaitu, tāpēc ir nepieciešams mazāk vienību darbību, un tiem nav jābūt tik uzticamiem. Šķīstošie celtniecības bloki, kas pielīp tikai citiem celtniecības blokiem, nevis pie šķīdinātāja vai zemas piesārņotāju koncentrācijas, novērš nepieciešamību strādāt vakuumā.

Izvēloties šādus blokus, mums ir daudz iespēju: jebkura no daudzajām molekulām, ko ķīmiķi ir sintezējuši vai varētu saprātīgi sintezēt ar vēlamajām īpašībām. Katram molekulārajam blokam ir jābūt vismaz trim vietām, kur to var savienot ar citiem celtniecības blokiem. Vienības ar divām saistīšanas vietām liecina par polimēriem, kas ir visuresoši bioloģiskās sistēmās, piemēram, DNS, RNS un olbaltumvielās. Celtniecības bloki, kuriem ir trīs savienošanas vietas, ievērojami atvieglo stingru trīsdimensiju konstrukciju projektēšanu.

Šādus celtniecības blokus var saistīt savā starpā, izmantojot jebkuru no daudzām labi saprotamām ķīmiskām reakcijām. Īpaši pievilcīga iespēja ir Diels-Alder reakcija, kurā diēnu (ogļūdeņradi ar oglekļa-oglekļa dubultsaiti) var likt reaģēt ar noteiktu molekulu.

Atbildot uz šaubām

Neskatoties uz nanotehnoloģiju attīstības ticamību, ir skeptiķi. Tomēr viņu kritika ir slikti informēta. Piemēram, ķīmiķis Deivids Džounss, Nature apskatnieks, Scientific American citēja, ka molekulārā montētāja uzbūve ir lemta, jo atsevišķi atomi ir apbrīnojami mobili un reaģējoši. Tie uzreiz apvienosies ar apkārtējo gaisu, ūdeni, viens ar otru, šķidrumu, kas atbalsta montētājus, vai pašiem montētājiem.

Tomēr priekšlikumos, kas ietver reaktīvus molekulārus instrumentus, ir norādīts, ka videi jābūt inertai — vai nu vakuumam, vai cēlgāzei; nebūtu apkārtējā gaisa, ar ko reaģēt. Un, tā kā molekulārie instrumenti ir pozicionāli kontrolēti, tie nereaģēs ne viens ar otru, ne ar pašu montieri — tā paša iemesla dēļ, ka karsts lodāmurs nereaģē ar tā lietotāja ādu, kurš to lieto.

Man bieži tiek jautāts, cik ilgs laiks paies, līdz mēs varēsim izgatavot molekulāros datorus, pirms lēti fotoelementi nodrošinās lētu, tīru saules enerģiju, pirms īpaši vieglie kosmosa kuģi ievērojami samazinās kosmosa izpētes izmaksas. Zinātniski pareizā atbilde ir: es nezinu. Taču, aplūkojot vienu tehnoloģiju, ko nanotehnoloģijas var uzlabot — skaitļošanu — paveras viena perspektīva. No elektromehāniskajiem relejiem līdz vakuumlampām līdz tranzistoriem un integrālajām shēmām mēs esam pieredzējuši pastāvīgu loģisko elementu izmēra un izmaksu samazināšanos, kā arī to darbības nepārtrauktu pieaugumu pēdējo 50 gadu laikā. Šo tendenču ekstrapolācija liecina, ka, lai datoru aparatūras revolūcija saglabātos grafikā, līdz aptuveni 2010. vai 2020. gadam būs jāattīsta molekulārā ražošana.

Protams, pagātnes tendenču ekstrapolēšana ir filozofiski apspriežama tehnoloģiju prognozēšanas metode. Lai gan neviens dabas pamatlikums neliedz mums attīstīt nanotehnoloģiju saskaņā ar šo grafiku (vai pat ātrāk), tāpat nav likuma, kas teiktu, ka šis grafiks neslīdēs. Tomēr daudz sliktāk ir tas, ka šādas tendences nozīmē, ka pastāv noteikts grafiks — nanotehnoloģija neizbēgami parādīsies neatkarīgi no tā, ko mēs darām vai nedarām. Nekas nevar būt tālāk no patiesības. Cik ilgs laiks nepieciešams šīs tehnoloģijas izstrādei, ir ļoti atkarīgs no tā, ko mēs darām. Ja mēs to īstenosim sistemātiski, tas notiks ātrāk. Ja mēs to ignorējam vai vienkārši ceram, ka kāds tam paklups, tas prasīs daudz ilgāku laiku. Par laimi, izmantojot teorētiskās, skaitļošanas un eksperimentālās pieejas kopā, mēs varam sasniegt mērķi ātrāk un uzticamāk, nekā izmantojot jebkuru atsevišķu pieeju. Tāpat kā Boeing var projektēt, būvēt un lidot lidmašīnas datorā pirms to izgatavošanas reālajā pasaulē, mēs varam darīt to pašu attiecībā uz molekulāro ražošanu. Mēs varam ātri novērst lielāko daļu viltus startu un akli un ātri koncentrēties uz labākajām pieejām.

Tāpat kā pirmā cilvēka nolaišanās uz Mēness, Manhetenas projekts vai modernā datora izstrāde, molekulārās ražošanas parādīšanās prasīs daudzu gadu koordinētus centienus. Cik ilgu laiku tas aizņems? Daudz kas ir atkarīgs no tā, kad mēs sākam.

paslēpties