Što je dijamant mehanozintetsku?

Dijamant mehanozintetsku ili molekularni pozicijski proizvodnja, je formiranje kovalentne kemijske veze koriste upravo primijenjene mehaničke sile za izgradnju  diamondoid  strukture. Dijamant mehanozintetsku može biti automatiziran pomoću računalnog upravljanja, omogućujući programabilni molekularni pozicijski izmišljotina.

Atomička precizna izrada uključuje držanje sirovine atoma ili molekula, a sve veći nanostupanjskim izradak, u pravilnom odnosu pozicije i orijentacije, tako da kada se dodiruju oni će se udružiti na željeni način.

U tom procesu, mechanosynthetic alat će se dovesti do površinom komada.Jedan ili više atoma prijenos doda se, ili ukloniti, izratka strane alata. Zatim alat je povučen i pražnjenja. Ovaj proces se ponavlja sve dok izratka (npr rastući nanopart) u potpunosti je proizveden na molekularnoj preciznosti svaki atom u točno na pravo mjesto. Imajte na umu da su prijenosne skupine u sveprisutnoj kontroli* položaja kako bi se spriječile neželjene popratne reakcije.

T je prvi eksperimentalni dokaz istinske mehanozintetsku, uspostavljanje kovalentne veze pomoću čisto mehaničke sile na atome silicija, a ne ugljikovih atoma, je izvijestio  Oyabu i kolege  u 2003.  Prvi Dijamant mehanozintetsku patent je odobren u SAD-u 30. ožujka 2010. godine do  Robert A. Freitas Jr.

* Preciznije, to je struktura ručke koja izravno prima pozicijsku kontrolu i primijenjene sile, a ne priložene atome prijenosa. No, nuspojava je pozicijskog ograničenja, daleko više, recimo, slobodnog plina ili dijela otopine-faze

• Napredak u Dijamant mehanozintetsku (2004 predavanje  koje  Freitas)
• Tehnička knjiga o Dijamant mehanozintetsku  po  Freitas  i  Merkle  (u pripremi)
• Komentirana tehnička bibliografija  istraživačkog rada na dijamantni mehanozintetsku
• Landmark minimalan skup alata za papir na Dijamant mehanozintetsku po  Freitas i Merkle 2008

Osim mapiranje, skeniranje sonda mikroskop može promijeniti površinu – na primjer, taloženjem pojedinačnih atoma i molekula u željeni uzorak. U jednom dobro publiciranom slučaju 1989. godine, znanstvenici su organizirali 35 atoma ksenona na površini nikla. No, ova manipulacija skeniranje sonda mikroskop zahtijeva hlađenje na 4 stupnja iznad apsolutne nula. skeniranje sonda mikroskop-ovi također imaju stope pogrešaka. Iako se ovi sustavi mogu kretati oko nekoliko atoma ili molekula, ne mogu se izgraditi molekularne robotske ruke.

Današnja skeniranje sonda mikroskopS-om također su previše sporo. U prirodi, bakterijske ribosoma uzeti barem 25 milisekundi dodati jednu aminokiselinu na rastući protein pod kontrolu položaja. Ako je proizvodnja Nanotvornica linija ili molekularna monter je za proizvodnju kopiju sebe (ili vlastitom masom) u jednom danu, a ako se to zahtijeva oko sto milijuna operacija atom-plasman, onda svaki takav rad mora biti dovršen u ~ 1 milisekundu, nešto brže radna frekvencija od ribosoma. Današnji skeniranje sonda mikroskopS-om, s druge strane, može potrajati i do sat vremena organizirati jedan atom ili molekulu. Veliki napredak u brzini skeniranje sonda mikroskop i točnosti će biti potrebna kako bi se postigla pouzdana dijamant mehanozintetsku, a takvi pristupi nisu eksplicitno eksperimentalni cilj  Nanotvornica suradnje.

Kako bi održali pravilan položaj, ručica s alatom i noseća struktura (i obradni dio na kojem alat Dijamant mehanozintetsku radi) moraju biti izuzetno kruti. Snaga i gustoća molekule ovise o broju i čvrstoći veza. Element koji najbolje odgovara ovim kriterijima je ugljik, koji je i lagan i oblikovan. Posebno je jaka veza ugljik-ugljik. Svaki ugljikov atom može vezati na četiri susjedna atoma. A atomi ugljika mogu učiniti dostupni najvrjedniji materijal: dijamant. U dijamantu gusta mreža čvrstih veza stvara jaki, relativno lagani i vrlo kruti materijal.

Radna okolina za dijamantnu mehanostestu često se pretpostavlja da je ultra-visoki vakuum, iako se Dijamant mehanozintetsku izvodi u plemenitom plinskom tekućinom ili nekom drugom kemijski inertnom tekućinom, nije nezamisliva.

Koristeći računalno automatizirani opise koji obavljaju položajno-kontrolirane dijamant mehanozintetsku u dugim programiranih sekvenci koraka reakcije, možda ćemo moći proizvoditi jednostavne diamondoid  nanomechanical dijelove kao što su ležajeva, prijenosnika, potpornji, izvora, dijamant logike šipke (prikazano na desno) i kućišta za atomska preciznost. Iako je vjerojatno da su neke osnovne  diamondoid strukture mogu biti mogu ostvariti korištenjem samo-montaža tehnike iz konvencionalne sintetske kemije, malo je vjerojatno da multifeatured, vrlo napete ili složeno umetnuta struktura može biti proizveden bez zapošljavaju neki oblik pozicijski kontrole.

Već je moguće sintetizirati bulk dijamant danas. U postupku donekle podsjeća na bojenje, da izgraditi sloj po sloj dijamant držeći površine u oblaku reaktivnih atoma vodika i ugljikovodičnih molekula. Kada su ove molekule sudaraju površine oni promijeniti, ili dodavanjem, uklanjanjem ili preraspodjela atoma. Pažljivom kontrolom, temperaturu tlak, a točan sastav plina u tom procesu – koji se zove  nanošenje pare kemijskim  – možemo stvoriti uvjete koji pogoduju rast dijamant na površini. Tipična postava nanošenje pare kemijskim reaktor je prikazano na desno.

Ali slučajno bombardiranjem površine s reaktivnim molekulama ne nudi finu kontrolu nad procesom rasta i više kao što je izgradnja ručni sat s pijeskom blastera. Da bi se postigla Atomička preciznu izradu, prvi izazov je kako bi bili sigurni da će sve kemijske reakcije događaju na točno određenim mjestima na površini. Drugi problem je kako napraviti dijamant površina reaktivni na pojedinim mjestima gdje želimo dodati još jedan atom ili molekulu. Dijamant površina obično je prekriven slojem vodikovih atoma (bijeli atoma na slici dijamant C (110) na površini na desno). Bez tog sloja, sirovi dijamant površina bi vrlo reaktivni jer bi optočen neiskorištenih (ili „klimanje”) obveznice najvišem ravnini atoma ugljika. Dok hidrogeniranje sprječava neželjene reakcije,

Da bi prevladali taj problem, možemo koristiti skup molekularnih razmjera alata koji bi, u nizu dobro definiranih koraka, pripremiti površinu i stvoriti ugljikovodika strukture na sloj dijamant, atom po atom i molekulu po molekulu. Mechanosynthetic alat ima dvije glavne komponente – kemijski aktivni opis i kemijski inertan za ručicu koja je kovalentno vezan tip alata.Struktura ručka položajno manipulira pomoću skeniranje sonda mikroskop ili sličnu instrumentalnost.

Najmanje  tri osnovna mechanosynthetic alati  koji su već primili značajan teorijski (a neki eksperimentalni) Studija  će biti potrebno izgraditi Atomička precizno dijamant preko pozicijski kontrole:

(1)  vodika Apstrakcija alati,

(2)  carbon položaja alata i

(3)  vodik donacije alata.

1 2 3

(1) Alati za apstrakciju vodika

Prvi korak u procesu izrade mechanosynthetic dijamant može biti ukloniti vodika od svakog od dva susjedna specifična mjesta na površini dijamant, ostavljajući iza sebe dvije reaktivne vise veze. To se može učiniti pomoću  vodika apstrakciju alat – što je još uvijek teorijski molekularne strukture koja ima visoku kemijsku afinitet za vodik na jednom kraju, ali je inertno drugdje.

Stupci ukočene regija služi kao drška ili ručke mjesta vezanja. Alat će održati molekulskom pozicijski uređaj, u početku možda mikroskopskom vrha sonde skeniranje ali konačno molekularnoj robotske ruke i pomiče izravno preko posebno atomima vodika na površini. Jedna pogodna molekula za vodik apstrakcijskom alat je acetilen radikal – dva ugljikova atoma trostruku zajedno povezani. Jedan ugljik će biti ručka veza, te bi se veže s nanomjerilu alat za pozicioniranje kroz veće strukture ručkom možda se sastoji od adamantanskih kaveza kako je prikazano na slici desno. Drugi ugljik ima vise vezu gdje je atom vodika će normalno biti prisutna u molekuli uobičajeno acetilena (C₂H₂). Okoliš oko alat će biti inertan (npr, vakuum ili plemenitog plina poput neona).

Najdetaljnija analiza najčešće proučavanih etinil bazi  vodika apstrakcije alat  je izvijestila  Temelso et al (2006), kao jedan od mnogih zajedničke napore koje čine  Nanotvornica suradnju. Non-etinil-based vodik crpljenja alati su predložene od strane drugih, ali su primili relativno ograničen teorijsku studiju do danas. Praktična metoda za izgradnju ovog alata su predloženi i patentiran u  2008 od strane Freitas i Merkle i eksperimentalni test ovog prijedloga je u radovima.

1 2 3

(2) Alati za postavljanje ugljika

Kada je crpljenje alata stvara reaktivne susjedna mjesta selektivnim uklanjanjem atoma vodika od dijamanta površine, drugi korak je izdvojiti atoma ugljika u željenim mjestima. Na taj način dijamant struktura izgrađena, molekulu po molekulu, u skladu s planom.

Prvi  kompletan  alat ikad predložio za tu odlaganje ugljičnog funkcije,  izvijestili  strane Merkle i Freitas na predviđanja konferencije u 2002, je  DCB6  alat dimera plasman. Dimer je molekula koja se sastoji od dva jednaka zaglavi atoma ili molekula zajedno. U ovom slučaju, dimer biti C₂  – dva ugljikova atoma povezane trostruke veze, pri čemu svaki ugljik u dimera spojen na veći nereaktivnom ručkom strukture.

Alat dimera plasman, također drži molekularnoj položajne uređaja, dovede blizu reaktivne mjestima duž određene putanje, zbog čega su dva vise površina obveznice reagirati s kraja na kraj dimera ugljika. Alat dimera plasman bi onda povući, razbijanje relativno slabije veze između njega i CC dimera i prijenos ugljikovog dimer od alata na površinu, kao što je prikazano  gore. Tom položaju kontrolom dimer koji može biti priključen gotovo bilo gdje na rastući diamondoid obratka, u načelu omogućuje izgradnju raznih korisnih nanopart oblika.

Od 2006. godine,  DCB6  alat dimera plasman dalje  najviše proučavao  bilo mechanosynthetic tip alata do danas, nakon što je više od 150.000 CPU-sati računanja do sada uloženo u svojoj analizi kao jedan od najranijih zajedničke napore koje čine  Nanotvornica suradnju, pomoću dva Beowulf klasteri u  Zyvex. DCB6  tip alata motiv je jedini tip alata motiv koji je uspješno simulirane za namjeravanu funkciju u punom 200-atoma dijamant površine. Dana 30. ožujka 2010. godine,  US Patent No. 7687146 izdan na postupak za proizvodnju DCB6 alat – prvi patent ikad izdanu na dijamantni mehanozintetsku. Ostalo dimera (i srodnih ugljičnog prijenos) opis motivi koji su manje proučavana, ali se također očekuje da obavljaju dobro su predložene od strane  Drexleru  (1992),  Merkle  (1997),  Merkle i Freitas  (2003),  Allisu i Drexleru  (2005),  Freitas, Allis i Merkle (2006),  Freitas i Merkle  (2008), a drugi, uključujući i najkorisnije alat GermylMethylene (GM) za dodavanje metilne skupine na dijamant, kao što je prvi opisao  Freitas i Merkle u 2008.

1 2 3

(3) Alati za davanje vodika

Nakon što je precizno Atomička struktura je proizvedena pomoću niza vodikovih atoma crpljenja i taloženja je proizveden struktura mora se pasivizira sprječavanje dodatnih neplanirani reakcije.

Dok je vodik crpljenje alat namijenjen da inertno strukture reaktivne izradom vise vezu je  vodik donacija alat  ne suprotno. Čini reaktivni strukture je inertno prema završava jedan viseći vezu. Takav alat će se koristiti za stabilizaciju reaktivne površine i spriječiti atome na površini od preraspodjela u neočekivanim i neželjenim načine. Ključni zahtjev za vodik donacija alat je da uključuju slabo vezan atom vodika. Mnoge molekule koja odgovara opisu, a veza između vodika i germanij (ili kositar) posebno je slaba. GE bazi (ili Sn-based) vodik donacije alat treba biti učinkoviti.

Najdetaljnije Analiza najviše istraživanog supstituirani adamantan-based vodik donacije alata su opisali  Temelso et al (2007), kao jedan od zajedničke napore sadrže  Nanotvornica suradnju. Alternativni vodik donacije alata motivi su predložene od strane drugih, ali su primili relativno ograničen teorijsku studiju do danas.

Ovi  nekoliko molekularnih alata, plus nekoliko drugih, trebala bi nam omogućiti da široki spektar Atomička preciznih čvrstih struktura sastavljena od vodika i ugljika – npr, dijamant.

Doduše, to je daleko manje ambiciozan početni cilj od pokušaja da koristite sve 90 + prirodni kemijski elementi u periodnom sustavu. No, u zamjenu za sužavanje naš fokus na ovom užem klasa struktura, što bi bila puno lakše analizirati u detalje one strukture koje mogu biti proizvedene i sintetičkih reakcije koje su potrebne kako bi ih. Diamond i njegove shatterproof varijante spadaju u ovu kategoriju, kao fulerene (listova ugljikovih atoma valjane u sfere, cijevi i drugih oblika). Ovi materijali se mogu sastaviti sve dijelove potrebne za osnovne nanomechanical uređaje kao što su potpornji, ležajevi (slika desno), prijenosnika, šipke, kućišta i robotske ruke.

Kasnije, kako naši analitičke i eksperimentalna sposobnosti u Dijamant mehanozintetsku sazrijevaju i što se više opis motivi predlaže i analizira, nekolicina dodatnih elemenata mogu se dodati, kao što su sredstva za dopiranje atoma izraditi dijamant elektroničkih uređaja i silicij zamjene ugljik kao strukturni kaveza atomu neke aplikacije.

Ove i srodne strukture, možda još sastoje prvenstveno od ugljika i vodika, ali sada u kombinaciji s atomima dušika, kisika, silicija i nekoliko drugih kemijskih elemenata, će ispuniti svoju sposobnost za proizvodnju širi spektar cijele klase „diamondoid” materijala. To će omogućiti mnogo veću raznolikost gotovih proizvoda, kao što su ležajevi u širem rasponu veličina koje koriste druge atome (izvan vodika i ugljika) s različitim kovalentne atomskog radijusa, kao što je prikazano na desno.

Prvi prijedlog praktičnog postupka za izgradnju  DCB6Ge mechanosynthetic tip alata po  Freitas, podnesena kao  privremenu patentnu prijavu  u veljači 2004. godine kao punopravna komunalnih patenta  Zyvex  u veljači 2005. godine – prvi mehanozintetsku patent ikad podnesena. Pročitaj rano verziju prijave patenta  ovdje  ili  ovdje.

Obradivost  Freitas predloženog procesa ‘je već dobila vrijednu i dobrodošlice  kritiku  iz znanstvene zajednice i  Freitas  vjeruje da su neki inačica proces može biti dovoljno održiv da služi kao vitalne koračni kamena za sofisticiranije Dijamant mehanozintetsku pristupa.

Metode za izgradnju tri dodatne Dijamant mehanozintetsku Kratki opisi eksperimentalno pomoću samo trenutno dostupne laboratorijske tehnike su predložili  Freitas i Merkle u 2008. Do rujna 2007. godine, kada je podnio patent, kalibracija traje počela na novo-stečenog skeniranje sonde opreme koja se očekuje da će se koristiti od strane naših sudionika eksperimentalnim u pokušaju da izgradi prvi Dijamant mehanozintetsku tip alata koristeći jednu od predloženih Dijamant mehanozintetsku sekvenci reakcije.

Drugi praktični prijedlozi za izgradnju prve Dijamant mehanozintetsku opise, koristeći postojeću tehnologiju, željno su tražili od strane  Nanotvornica suradnju.

Nakon što su prvi Dijamant mehanozintetsku alati ugrađeni, oni se mogu koristiti za izgradnju nove generacije preciznije, lakše punjive, i općenito mnogo poboljšane mechanosynthetic alata (ilustracija na desno). Krajnji rezultat ovog iterativnog procesa razvoja će biti zrela skup učinkovitih, položajno kontroliranim mechanosynthetic alata koji pouzdano može izgraditi Atomička precizne  diamondoid  strukture – uključujući više Dijamant mehanozintetsku alata.

U tvornici proizvodne linije, pojedine Dijamant mehanozintetsku opise može se pričvrstiti na krutim strukturama kreće podršku i pomoć za ponovljeni kontakt događaja s radnih komada, ponovno punjenje postaja i drugih slično-pričvršćenih apposed opise. Ove  molekularne mlinovi  na taj način može izvesti ponavljaju korake izrada pomoću jednostavne, učinkovite mehanizme.Mills se, u načelu, biti operiran na visokim brzinama – uz položajno ograničeni mechanosynthetic susreti eventualno javljaju na do megaherca frekvencije.

Koristeći računalno automatizirani opise koji obavljaju položajno-kontrolirane Dijamant mehanozintetsku u dugim programirane sekvence koraka reakcije, možda ćemo moći proizvoditi jednostavne  diamondoid  nanomechanical dijelove kao što su ležajeva, prijenosnika, potpornji, izvora, logika šipke i crijevima, na atomskom preciznošću.

Rani alati će se kretati iz jednog Dijamant mehanozintetsku alata manipulirani od strane skeniranje sonda mikroskop poput mehanizama, do složenijih multitip alati i stege koje su jednostavne alate može izmišljati, jedan po jedan. Ove pomoćne alate bi se onda može koristiti za stvaranje napredovanje sposobniji alata i mehanizama, liniju razvoja završava u proizvodnim linijama konceptualno slični onima koje je prikazano (samo shematski) na pravu.