Технічні проблеми, що залишилися для досягнення позиційного виробництва алмазоїдних молекул і алмазоїдних нанофабрик

Версія 1.3

Оригінал: https://www.molecularassembler.com/Nanofactory/Challenges.htm

Існує дуже багато технічних проблем, які необхідно подолати, щоб продемонструвати можливість виробництва алмазоїдних молекул, систем молекулярних машин, нанорозмірної робототехніки та нанофабрик. Основне наукове обґрунтування здійсненності вперше було висунуто К. Еріком Дрекслером у його знаковому підручнику з інженерії «Наносистеми» (1992). Спираючись на роботу Дрекслера, Фрейтас наводить аргументи на користь технічної здійсненності медичних нанороботів у своїй серії технічних книг Nanomedicine Vol. I (1999) і Nanomedicine Vol. IIA (2003) , а також Фрейтас і Меркле розглянули сучасний стан молекулярного виробництва у своїй технічній книзі «Кінематичні самовідтворювальні машини» (2004) .

Оскільки концепція та потенційна корисність молекулярних машинних систем добре встановлені цією попередньою роботою, технічне співтовариство зараз починає серйозно вивчати ці пропозиції більш детально, щоб оцінити їх здійсненність. Конструктивний скептицизм технічної спільноти є бажаним і необхідним для успіху співпраці нанофабрик . Лише інтенсивно зосереджуючись на безлічі деталей впровадження, можна досягти більш повного розуміння проблем і обмежень систем молекулярних машин.

З 2001 року ми складаємо зростаючий список технічних проблем, пов’язаних із впровадженням алмазоїдного молекулярного виробництва та систем молекулярних машин. Цей список, який є довгим, але майже напевно неповним, містить паралелі та включає письмові зауваження, висловлені у глибоких коментарях Філіпа Моріарті у 2005 році та Річарда Джонса у 2006 році. Ми вітаємо цю критику та заохочуємо подальші конструктивні коментарі та пропозиції щодо додаткових технічних проблем, які ми, можливо, не помітили – подібно до інших.

Наш список представляє довгострокову дослідницьку стратегію, яка є прямою відповіддю на нещодавній (2006) заклик Комітету з перегляду NMAB/NRC під час їх перегляду NNI, затвердженого Конгресом , для прихильників « специфічної хімії для великих -масштабне виробництво » , щоб: (1) окреслити бажані напрямки досліджень, які ще не проводяться біохімічною спільнотою; (2) визначити та зосередити увагу на деяких базових експериментальних кроках, які мають вирішальне значення для просування довгострокових цілей; і (3) окреслити деякі дослідження « доказу принципів » , які в разі успіху нададуть знання або інженерні демонстрації ключових принципів або компонентів із негайною цінністю.

Ми заохочуємо зацікавлених дослідників приєднатися до співробітництва Nanofactory Collaboration, щоб допомогти нам остаточно вирішити кожну з технічних проблем, що залишилися, шляхом проведення необхідних теоретичних – а в деяких випадках і експериментальних – досліджень.

Наш поточний перелік технічних проблем упорядковано за чотирма категоріями технічних можливостей, які, на нашу думку, необхідні для успішного досягнення позиційного молекулярного виробництва алмазоїдів , що уможливлює розвиток нанофабрик. Цей перелік наразі є найширшим у сфері механосинтезу алмазів (DMS), оскільки DMS був основним напрямком наших перших зусиль, спрямованих на впровадження нанофабрик.

(I) Технічні проблеми для механосинтезу алмазу

(А) ТЕОРЕТИЧНА

(1) Розробка та моделювання підказок DMS

          (a) Необхідно обчислювальне моделювання нових механосинтетичних підказок

          (b) Потрібне обчислювальне моделювання структур рукоятки підказок із високим співвідношенням сторін, які дозволять розташувати місця реакції деталі впритул і (можливо, кілька) підказок, розташованих поруч із місцем реакції.

(2) Розробка та моделювання взаємодії підказки та заготовки

      (a) Потрібне моделювання взаємодії підказки та заготовки з алмазними поверхнями ( рекомендується VASP або еквівалентне програмне забезпечення).

          (b) Потрібен аналіз оптимальних траєкторій наближення інструмента до заготовки, оптимальних відносних позиційних конфігурацій інструментів і заготовки, а також відображення робочих огинів наконечника інструменту щодо експериментально контрольованих параметрів, таких як стан обертання наконечника наконечника, кути наконечника наконечника на заготовку та відстані наконечника наконечника на заготовку.

      (c) Потрібна аналітична та статистична оцінка того, чи є базова механохімія DMS достатньо надійною, щоб продовжити без перевірки помилок.

          (d) Потрібен комплексний перелік і оцінка всіх патологічних станів, які заготовка може прийняти під час реакції DMS . Цей аналіз повинен включати ендо-/екзоергічність реакції щодо бажаного стану, бар’єри для патологічних станів і патологічні проміжні/перехідні стани, які заготовка може прийняти під час реакції DMS або після завершення реакції DMS . Щільність дефектів заготовки необхідно контролювати та усувати.

(3) Проектування та моделювання взаємодії між інструментами

          (a) Потрібні дослідження можливого стеричного перевантаження серед проксимованих підказок. Багато груп, які працюють над системами скануючих зондів із двома зондами, зіткнулися з фундаментальними обмеженнями щодо того, наскільки близько один до одного можна розмістити два зонди, через кінцевий радіус кривизни існуючих наконечників скануючого зонда. Таким чином, режими відмови DMS можуть включати стеричну перешкоду бажаним реакціям, можливу атомарну реконструкцію рукоятки наконечників інструменту, які розташовані надто близько одна до одної, і пряме механічне пошкодження через зіткнення наконечників. Ідеальна комбінація спливаючих підказок/маркерів матиме високе співвідношення сторін, щоб забезпечити максимальне наближення спливаючих підказок. Межі робочих огинаючих тісно розташованих підказок необхідно кількісно визначити як теоретично, так і експериментально.

(4) Моделювання механосинтетичних взаємодій у реалістичному вакуумному середовищі

      (a) Потрібне моделювання та дослідження підказок із відкритими радикальними ділянками, розміщеними в реалістичному експериментальному вакуумному середовищі. Потрібна оцінка ризику отруєння радикальних сайтів через випадкові забруднювачі та оцінка очікуваного терміну служби цих відкритих радикальних сайтів у таких вакуумних середовищах. Який рівень вакууму є мінімальним, необхідним для адекватного терміну служби підказки, щоб забезпечити здійсненні процеси DMS ? Чи деякі ймовірні забруднювачі гірші за інші?

      (b) Потрібне моделювання та дослідження заготовок і алмазоїдних поверхонь з відкритими радикальними ділянками, які розміщені в реалістичному експериментальному вакуумному середовищі. Потрібна оцінка ризику отруєння радикальних сайтів через випадкові забруднювачі та оцінка очікуваного терміну служби цих відкритих радикальних сайтів у таких вакуумних середовищах. Який рівень вакууму є мінімальним, необхідним для адекватного терміну служби заготовки або алмазоїдної поверхні, щоб забезпечити здійсненні процеси DMS ? Чи деякі ймовірні забруднювачі гірші за інші?

      (c) Необхідність обстеження існуючих вакуумних систем і наявності надвисокого вакууму. Також потрібна оцінка ймовірного збільшення ризику забруднення робочого простору з інших джерел, окрім панелей інструментів і заготовок, зокрема виділення газів (десорбція) молекул забруднення з поверхонь, ручок інструментів, ущільнень або інших механізмів, які можуть бути присутніми всередині об’єму робочого простору.

(5) Проектування та моделювання повної послідовності реакцій DMS

          (a) Потрібна розробка та моделювання послідовностей реакцій DMS , які мінімізують реконструкцію заготовки, підказки та проміжної структури та підтримують адекватну пасивацію проміжної структури заготовки.

          (b) Необхідність розробити та змоделювати процедури перезарядки підказок для розряджених підказок.

          (c) Потрібне стисле визначення «мінімального набору інструментів» і мінімального набору реакцій для базової DMS , включаючи конкретні послідовності реакцій утворення алмазу, що є необхідним і достатнім для створення простих алмазних структур (наприклад, Merkle (1997) , Freitas (2007)).

          (d) Розширення та розробка «мінімальних наборів інструментів», достатніх для досягнення розширеного DMS , включаючи позиційно контрольоване виготовлення увігнутих, вигнутих і деформованих діамантових структур.

(6) Проектування та моделювання процедур DMS за межами вуглеводнів

          (a) DMS має бути поширений на атоми, відмінні від C і H – в ідеалі забезпечуючи комбінацію близької до нуля щільності висячого зв’язку, високих дифузійних бар’єрів і спрямованих ковалентних зв’язків.

(7) Перегрупування та реконструкція поверхонь заготовки

          (a) Чи малі алмазоїдні структури, зазвичай передбачені для наномеханічних частин (та їхні проміжні структури під час і після кожної DMS- реакції в процесі виготовлення), є структурно стабільними, чи вони перегруповуються? Останні дослідження перегрупувань «наноалмазів» будуть повчальними, і їх слід детально переглянути разом з літературою, що описує вплив пасивації/депасивації Н і температури на характер і частоту реконструкцій поверхні.

      (b) Якщо ці малі алмазоїдні структури перегруповуються, чи є це перегрупування регулярним і надійним чи випадковим і мультиструктурним? Чи можна скасувати перегрупування, наприклад, репасивацією реконструйованої поверхні, як у випадку з алмазною поверхнею C(111)? Чи можна проігнорувати перебудову, як у випадку ручки інструментальної підказки, яка переставляється відомим, але відносно нешкідливим способом після виготовлення (тобто таким чином, що не впливає на надійність позиційно контрольованої хімії, яка відбувається на кінчику )?

          (c) Потрібен огляд літератури та додаткові теоретичні дослідження щодо схильності алмазоїдної поверхні до графітизації та умов, за яких може виникнути ця структурна патологія.

          (d) Потрібен огляд літератури та додаткові теоретичні дослідження щодо схильності та швидкості міграції adspecies через три основні алмазні поверхні, включаючи також міграцію вздовж уступів та кутових структур, навколо ободів отворів, а також через опуклі та увігнуті області, як функції типу adspecies і температури системи. Ці дослідження повинні включати аналіз і кількісне визначення будь-яких бар’єрів для поверхневої дифузії та міграції.

      (e) Необхідно вивчити ступінь, до якого фотозбудження призводить до неправильної реакції та перегрупування цих структур (та їх проміжних продуктів під час виготовлення).

      (f) Потрібне дослідження того, якою мірою присутність і геометричний розподіл деформованих зв’язків, а також ступінь деформації впливають на реконструкцію малих алмазоїдних наночастин та їхніх проміжних структур.

      (g) Належні квантово-хімічні розрахунки (наприклад, ab initio , теорія функціоналу щільності) необхідні для визначення структурної та хімічної стабільності цільових алмазоїдних частин машини – отримання стабільної структури в рівновазі (структури із загальною найменшою вільною енергією). Лише моделювання молекулярної механіки не може точно визначити це.

          (h) Моделювання молекулярної динаміки з використанням квантової хімії (наприклад, AIMD) необхідно для дослідження кінетичної стабільності метастабільних структур. Метастабільні структури — це структури, які не знаходяться в рівновазі, але мають досить низьку ймовірність перетворення в (небажаний) більш стабільний стан, щоб вони все ще могли бути корисними для практичних цілей наноінженерії. Оцінка корисності метастабільних структур вимагає розрахунку енергетичного бар’єру, який перешкоджає реконструкції, і забезпечення того, що доступна в системі енергія (теплова, механічна чи інша) є недостатньою, щоб проштовхнути метастабільну систему через цей бар’єр.

          (i) Лише дуже невелика підмножина незакінчених поверхонь не реконструюється. Потрібен огляд усіх поверхонь (як пасивованих, так і непасивованих), які, як відомо, не підлягають реконструкції. Це забезпечить ранній список цілей для експериментальних спроб DMS . Найвідомішим прикладом нереконструюючої поверхні є алмазна поверхня C(110). Подальший більш широкий огляд загального явища реконструкції поверхні допоміг би визначити пріоритет вторинного списку цілей для майбутніх механосинтетичних експериментів. Для цього ширшого дослідження аналітичний акцент повинен бути зроблений на жорсткій ковалентній кераміці та пов’язаних з нею твердих речовинах, а також на нанокластерах розміром <10 нм, які є найбільш прямими аналогами запропонованих механічних нанодеталей, таких як шестерні та підшипники, які можуть містити до 10 4 атомів кожна .

          (j) Потрібне остаточне дослідження, щоб визначити, чи буде чиста (непасивована) поверхня C(111) спонтанно відновлюватися при кімнатній температурі або нижче, а також визначити, нижче якого порогу температури, якщо такий є, вона не відновлюватиметься.

          (k) Необхідність кількісного визначення впливу на надійність DMS та повторюваність явищ поверхневої релаксації, на відміну від явищ реконструкції поверхні, наприклад, як описано Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff та інші (1994), Venables (2000). ), і Лют (2001). Ефекти релаксації можуть бути значними в багатьох алмазоїдних матеріалах, особливо у випадку сапфіру (оксид алюмінію, Al 2 O 3 ), де релаксація поверхневих іонів кисню може досягати ~50% від відстані між шарами на гексагональній (0001) поверхні.

(8) Проектування та моделювання систем представлення молекулярної сировини для DMS

          (a) Необхідність розробити та моделювати представлення молекул вихідної сировини, прив’язаної до нерухомих поверхонь, для легкого захоплення інструментами для механосинтетичного осадження, а також діапазон рухів і процедур для отримання молекул вихідної сировини на позиційно контрольовану підказку з поверхні представлення молекул вихідної сировини .

          (b) В якості альтернативи зв’язування, транспортування через бар’єрні поверхні та позиціонування початково позиційно необмежених молекул рідкої або газоподібної сировини (наприклад, ацетилену або C 2 H 2 ) слід досліджувати з огляду на проектування сайтів зв’язування на основі переважно молекулярних стеричних властивостей (форми), які можна гнучко сконструювати для використання в молекулярних виробничих системах.

(B) ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ

(1) Загальне проектування та конструювання високоточних систем нанопозиціювання УВВ

          (a) Найбільш терміново необхідною новою експериментальною можливістю є розробка системи позиціонування SPM з низьким рівнем шуму з високою повторюваністю суб-ангстремної (0,2-0,5 Å) точністю позиціонування на 1-мікронному круговому шляху в поєднанні з субнанометром. точна система координат, що охоплює принаймні десятки мікрон.

          (b) Потрібна система позиціонування, яка мінімізує гістерезис і люфт, або яка, як мінімум, працює достатньо повторюваним способом, щоб гарантувати точність розміщення підказки до 0,2-0,5 ангстрем.

          (c) Розширення систем нанопозиціонування з декількома наконечниками, збільшення ступенів свободи, можливого для позиціонування однієї молекули (наприклад, наявність обертання та нахилу заготовки, доступних під час маніпуляцій) у ранніх системах, і, можливо, для включення в пізніших системах замкнутих контроль петлі системи AFM із подвійним наконечником із принаймні 5 ступенями свободи на підказку (6 DOF на підказку було б краще, щоб ми могли точно вирівняти підказки).

          (d) Повинні бути забезпечені ультрачисті УВВ середовища з мінімальним забрудненням. Типовий UHV вакуум ~10 -9 торр дасть експериментатору в середньому ~1000 секунд до того, як може статися отруєння оголеного радикального місця через зіткнення з блукаючими забруднювачами атомів, іонів і молекул. Допомогла б можливість працювати в невеликих обсягах. Наприклад, вакуум в 1 наноторр всередині закритої коробки об’ємом 10 000 кубічних мікрон містить у середньому набагато менше однієї молекули забруднювача, що зазвичай створює ідеальний вакуум.

          (e) Необхідно вивчати комп’ютерне керування траєкторіями, обертаннями та позиціонуванням з кінцевою метою повної автоматизації процесу DMS , щоб наноструктури можна було виготовляти відповідно до конкретного плану.

(2) Проблеми, характерні для систем нанопозиціювання DMS

          (a) Потрібні нові методи позиційної реєстрації та вирівнювання підказки щодо цільової ділянки реакції на заготовці. Навіть дуже невелика невідповідність у вирівнюванні підказки призведе до небажаного утворення зв’язку. У випадку наконечника мультитулу кожен інструмент має бути здатним до точного вирівнювання та позиціонування над належним реактивним місцем заготовки.

          (b) Потрібна повторювана позиційна реєстрація та вирівнювання нової або повернутої зміненої підказки щодо місця заготовки, яке раніше було відвідано підказкою, з достатньою точністю, щоб увімкнути DMS з низьким рівнем помилок .

          (c) Потрібне повторюване обертання підказки та нахил нової або повернутої підказки відносно місця реагування заготовки з достатньою точністю, щоб увімкнути DMS з низьким рівнем помилок . Передбачається, що невеликі зміни в нахилі підказки змінять екзоергічність реакції, реакційні бар’єри та надійність реакції.

          (d) Потрібно розробити методи для позиційної реєстрації проксимованих кількох підказок. Як знайти один інструмент відносно іншого, щоб виконати крок механосинтезу, що вимагає скоординованої дії двох або більше підказок? Ця проблема стосується як відносного положення підказки, так і відносного повороту підказки.

          (e) Для ранніх демонстраційних систем DMS буде потрібна експериментальна можливість для зміни кількох наконечників . Системи DMS «млинового» типу пізнішого покоління можуть використовувати заготовки та інструменти, прикріплені до рухомої транспортної системи, яка переміщує їх уздовж заздалегідь визначених траєкторій, під час яких вони розряджаються, а потім заряджаються в повторюваній послідовності.

          (f) Потрібні методи для забезпечення точного контролю над хімією та структурою підказок, щоб конкретні реакції були можливими з високим ступенем надійності.

(3) Експериментальне виготовлення наконечників DMS

          (a) Потрібні пропозиції (і критика пропозицій), що описують, як створювати механосинтетичні підказки з відповідними структурами ручок, використовуючи методи, доступні сьогодні експериментально. (Системи пізніших поколінь можуть використовувати підказки для створення підказок, що є набагато швидшим і ефективнішим процесом.)

          (b) Потрібні методи для характеристики підказок, щойно вони були виготовлені, без їх знищення або дезактивації. Це буде особливо важливо на ранніх етапах експериментування DMS , коли наш досвід (і розуміння) таких систем знаходиться на найнижчому рівні.

(4) Експериментальний фон для DMS

          (a) В експериментальній зоні ми шукаємо експериментаторів, які бажають і здатні проводити лабораторні демонстрації (1) простих DMS або (2) конкретних необхідних можливостей, необхідних для проведення більш складних механосинтетичних операцій.

          (b) Необхідно переглянути експериментальну літературу та будь-яку необхідну додаткову експериментальну роботу, щоб повністю охарактеризувати поведінку алмазних поверхонь C(111), C(110) і C(100) за різних умов, які можуть виникнути під час DMS .

          (c) Потрібен аналіз корисності умовного тестування проміжних станів заготовки під час виготовлення DMS , а також найбільш відповідних методів для цього. Чи є реєстрація підказки/заготовки в поєднанні з вимірюванням позиційного та силового зворотного зв’язку під час етапу реакції DMS достатньою для забезпечення надійних операцій DMS , чи для досягнення прийнятної надійності DMS необхідні умовне тестування та характеристика місця реакції заготовки між кожними кроками ? Вважається, що тестування проміжних станів заготовки може бути важливим на ранніх етапах експериментів DMS . Оскільки досвід роботи з цими системами зростає та накопичуються знання про нормальний діапазон відповідей під час взаємодії підказки та заготовки, можливо, стане можливим значною мірою виключити покрокове тестування, замінивши тестування кінцевого продукту та вибіркову перевірку для цілей контролю якості. . Усунення покрокового тестування, ймовірно, є ключовим для масового розпаралелювання та масштабування систем виготовлення на основі DMS , особливо систем млинового типу.

(5) Експериментальне підтвердження принципу та ранні тести демонстрації DMS

          (a) Потрібна експериментальна демонстрація суто механосинтетичної (тобто лише механічних сил, без залучення електричних полів) абстракції H, бажано на алмазній поверхні.

          (b) Потрібна експериментальна демонстрація суто механосинтетичного донорства H, бажано на алмазній поверхні.

          (c) Потрібна експериментальна демонстрація чисто механосинтетичного розміщення димеру C 2 (або іншого простого вуглеводневого фрагмента), бажано на поверхні алмазу.

          (d) Потрібна експериментальна демонстрація суто механосинтетичної послідовності двох або більше реакцій DMS на або поблизу одного реактивного сайту на тій самій заготовці – наприклад, дві суміжні абстракції H на алмазній поверхні або розміщення димеру C 2 на C( 110) з подальшим донорством H на попередньо розміщений димер C 2 .

          (e) Потрібна експериментальна демонстрація здатності виконувати повторювану послідовність операцій DMS на алмазній поверхні, що призведе до верифікованого виготовлення нової алмазоїдної структури на цій поверхні.

          (f) Потрібна експериментальна демонстрація чисто механосинтетичного виготовлення значної тривимірної алмазоїдної наноструктури.

          (g) Потрібна експериментальна демонстрація чисто механосинтетичного виготовлення тривимірної діамантоїдної структури з деформованою оболонкою.

(6) Паралелізація DMS

          (a) Потрібна експериментальна демонстрація здатності H-пасивації або H-депасивації алмазних поверхонь одночасно в кількох місцях за допомогою паралелізованих масивів підказок.

          (b) Потрібні експериментальні випробування інших типів механосинтетичних операцій, що демонструють принаймні потенціал масового розпаралелювання підказок DMS .

(7) Доступність природних наночастин для тестування та виготовлення

          (a) Було б корисно мати повну бібліотеку структур адамантану, що зустрічаються в природі, каталогізованих відповідно до розміру, геометричної структури, кількості атомів, зв’язку/зв’язності, доступності після вилучення з природної нафти тощо. Це підкаже нам, які природні «частини» можуть бути легко доступними у великих кількостях для подальшої обробки в більш складні наноструктури, такі як підшипники, шестерні тощо, або для тестування продуктивності ранніх стадій експериментальних систем маніпулятора.

          (b) Необхідно дослідити можливість конструювання алмазоїдних наночастин, починаючи з примітивів будівельних блоків адамантану. Якщо це виявиться можливим, це може зменшити потребу в прецизійному DMS, який буде використовуватися у виробництві базових каркасів клітки алмазоїдних наночастин. Точний DMS все ще буде потрібний для додавання або модифікації важливих поверхневих характеристик нанодеталей, а також для ковалентного з’єднання адамантанових примітивів у більші агрегати під час процесу виготовлення алмазоїдних нанодеталей.

(II) Технічні проблеми для програмованої позиційної збірки

(А) ТЕОРЕТИЧНА

(1) Конструкція захоплення наночастинок

      (a) Захвати з позиційним керуванням повинні бути сконструйовані таким чином, щоб вони могли захоплювати готові наночастини, а потім маніпулювати ними, чи транспортувати їх в інше місце, чи маніпулювати ними в серії етапів складання, таких як операція вставлення деталей (кілок, що вставляється в додатковий отвір) або іншу подібну операцію складання, під час якої малі частини механічно поєднуються, щоб отримати більші складні наночастини, які включають зв’язок Ван-дер-Ваальса. Інструменти з рукоятками, призначені для створення складних наномашин з їх складових частин, можуть суттєво відрізнятися за конструкцією від інструментів з ручками, призначених для механосинтезу. Наприклад, механосинтетичні підказки зазвичай мають майже виключно реакційну здатність до утворення ковалентного зв’язку, тоді як підказки для складання можуть використовувати переважно Ван-дер-Ваальсові або інші системи слабкого зв’язку для захоплення деталей, хоча слабкий ковалентний зв’язок (наприклад, дативні зв’язки, зв’язки Sn-C, тощо) також можна використовувати.

      (b) Потрібні методи кріплення захвату до системи точного позиціонування, зберігаючи жорсткість і здатність активувати захват.

      (c) Потрібна можливість заміни одного захватного механізму іншим на кінці SPM. Це передбачає додаткову вимогу щодо проектування структур депо для зручного тимчасового зберігання та вилучення невикористаних захватних механізмів.

(2) Конструкція приводу маніпулятора Nanopart

          (a) Необхідні конструкції для нанорозмірних і молекулярних приводів. Ці проекти повинні бути створені з огляду на необхідність майбутньої широкомасштабної інтеграції приводів у нанорозмірну техніку та повинні включати розгляд можливих майбутніх систем із кількома приводами.

(3) Проектування та моделювання систем представлення сировини наночастинок

          (a) Необхідність розробити та імітувати презентацію нанодеталей, прив’язаних до нерухомих поверхонь, для легкого захоплення монтажними інструментами, а також діапазон рухів і процедур для отримання нанодеталей на позиційно контрольованому монтажному інструменті з поверхні презентації наночастин.

          (b) В якості альтернативи слід досліджувати зв’язування, транспортування через бар’єрні поверхні та позиціонування початково позиційно необмежених наночастин, що плавають у рідині або газоподібній рідині-носії, з метою створення сайтів зв’язування наночастин, які можна гнучко сконструювати для використання в молекулярних виробничі системи.

(4) Розробка та моделювання поверхонь вивільнення заготовки

          (a) Потрібен аналіз того, як побудувати наночастини та/або їхні проміжні структури на опорах або знімних поверхнях, а потім підібрати їх.

(5) Проектування та моделювання послідовності складання наночастин

          (a) Необхідність розробити послідовність етапів складання, необхідних для складання певної колекції деталей у конкретний зібраний об’єкт, відповідно до плану креслення. Це включає в себе рухи, що стосуються придбання частин і розміщення об'єкта готової продукції в зонах депо.

(6) Атомні перегрупування в наночастинах, розташованих поруч

          (a) Потрібні квантово-хімічні та молекулярно-динамічні аналізи можливих реконструкцій (і хімічної стабільності) рухомих наночастин, які перебувають у тісному контакті з іншими рухомими наночастинами під час операцій складання.

(B) ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ

(1) Розробка технології SPM для забезпечення роботи зі складання нанодеталей

          (a) Потрібні реверсивні захвати наночастинок як кінцеві елементи на наконечниках SPM. Захвати повинні мати можливість дистанційного та/або умовного приведення в дію.

          (b) Системи SPM, які будуть використовуватися для монтажних робіт, можуть вимагати меншої точності позиціонування, але здатності прикладати більші зусилля та в більш складних напрямках (наприклад, обертальні рухи, які застосовують кругові або гвинтові крутні моменти, рухи різьблення/вставлення тощо). . Створення продукту з атомарною точністю з наночастин нанометрового масштабу не вимагає атомарної точності в позиціонуванні наночастин, а лише достатньої позиційної точності, щоб відрізнити бажану структуру збірки від суміжних патологічних структур збірки.

          (c) Необхідно розробити метод приведення в дію, яким можна легко керувати паралельно та який потенційно масштабується.

(2) Виготовлення та випробування поверхонь звільнення заготовки

          (a) Потрібні частини, призначені для легкого захоплення та маніпулювання.

          (b) Потрібні ефективні схеми представлення деталей.

          (c) Дослідити можливість контрольованої адгезії частин під час складання з контрольованим положенням.

          (d) Дослідити можливість палетування наночастинок.

          (e) Дослідити можливість виготовлення наночастин на основі DMS на жертвенній поверхні, яка розчиняється, вивільняючи наночастини в рідину-носій.

(3) Експериментальне підтвердження принципу та тести демонстрації раннього позиційного складання

          (a) Потрібна експериментальна демонстрація здатності точно знаходити та вилучати вхідні наночастини з поверхні презентації деталей або депо деталей.

          (b) Потрібна експериментальна демонстрація суто механічного з’єднання двох або більше наночастин у більш складний продукт.

          (c) Потрібна експериментальна демонстрація здатності стабільно розміщувати готові зібрані об’єкти продукту на поверхні для зберігання продукту чи складі продукту у відомому місці та орієнтації.

          (d) Потрібна експериментальна демонстрація суто механосинтетичного введення та/або операції нарізування.

          (e) Потрібна експериментальна демонстрація здатності отримати два об’єкти продукту та з’єднати їх разом, щоб утворити більш складний об’єкт продукту.

(III) Технічні проблеми для масивної паралельної позиційної збірки

(1) Масове розпаралелювання реактивних підказок і систем DMS

          (a) Необхідний аналіз і пропозиції щодо розпаралелювання DMS . Мета зробити механосинтез оперативним має логічно передувати (як мета дослідження) меті зробити механосинтез масово розпаралеленим.

          (b) Потрібен аналіз і пропозиції щодо того, як створити високоточні маніпулятори з високою повторюваністю та стабільністю, можливо, з кількома DOF на кінчику, які можуть бути організовані у масово паралельні масиви, щоб забезпечити масово паралельну DMS обробку заготовок. Вони можуть служити основними компонентами високопродуктивних виробничих систем. Такі масиви не є сучасними SPM, але можуть бути технологічними нащадками сучасних SPM.

          (c) Потрібен аналіз проекту користі та вимог до включення різних рівнів резервування в масові паралельні виробничі системи.

          (d) Системи нижчого рівня, які використовуються для виготовлення DMS або операцій зі складання нанодеталей, повинні бути продемонстровані як масштабовані до більших систем або перепроектовані для забезпечення такої масштабованості.

(2) Масове розпаралелювання захватів збірки наночастин і відповідних систем

          (a) Потреба в розробці систем керування для паралельно працюючих мільярдів робочих станцій, що складаються з масивів деталей. Це включає впровадження позиційно керованих систем керування.

          (b) Необхідність аналізу надійності та частоти помилок у системах збирання великих деталей. Дослідження відмовостійкого дизайну для масивних паралельних виробничих систем були б корисними.

(3) Програмне забезпечення для моделювання масових паралельних виробничих систем

          (a) Потрібне програмне забезпечення, здатне до багаторівневого інтегрованого моделювання основних підсистем і систем нанофабрик.

          (b) Потрібне програмне забезпечення для планування робочого процесу для масово паралельних систем складання.

(IV) Технічні проблеми для наномеханічного проектування

(1) Створення бібліотек наночастин

          (a) Необхідність створення бібліотек наночастин, каталогізованих у форматах, придатних для САПР.

          (b) Наночастини та нанозбірки повинні використовувати принципи «дизайн для складання» та «дизайн для аналізу та перевірки».

      (c) Потрібний аналіз структур, отриманих у попередніх аналізах (див. вище), щоб визначити, скільки різних наночастин і поверхонь матеріалів може знадобитися для створення повного набору структурних і функціональних компонентів низького рівня, достатніх для молекулярного виробництва.

(2) Моделювання нанодеталей, наномашин і операцій наномашин

      (a) Потрібне програмне забезпечення , яке може надійно моделювати та імітувати кінематичну роботу алмазоїдних деталей машин.

          (b) Необхідність розробки САПР/системи моделювання, здатної виконувати молекулярно-динамічне моделювання численних взаємодіючих частин, а також точно прогнозувати надійність і фізичні характеристики їх взаємодії.

          (c) Потрібен детальний дизайн наномотора з атомістичним моделюванням принаймні ключових компонентів. Необхідно вказати матеріали та перевірити хімічну стійкість отриманих структур. Використання будь-якого типу металу може викликати серйозні проблеми зі стабільністю поверхні та може виникнути несправність через адгезію контактуючих поверхонь, але замість них можна використовувати металеві графени, легований алмаз або інші відповідні жорсткі ковалентні матеріали. Також може знадобитися висока точність у позиціонуванні через експоненціальну залежність тунельного струму від розділення.

          (d) Потрібен детальний проект для молекулярно-селективного насоса з атомістичним моделюванням принаймні ключових компонентів, особливо місць зв’язування та приводних механізмів. Однією з корисних цілей може бути конструкція селективного клапана або насосної системи на молекулярному рівні на основі жорстких матеріалів, які пропускають вибрану молекулу, виключаючи, скажімо, кисень і воду з майже 100% ефективністю.

      (e) Drexler’s Nanosystems встановлює структуру для оцінки впливу теплового шуму, який потім застосовується до однієї інженерної конструкції в розрахунку позиційної невизначеності на кінчику молекулярного позиціонера. Це показує, що позиційна невизначеність може бути меншою за діаметр атома – необхідна, якщо, можливо, недостатня умова для роботи таких пристроїв. Але нам також потрібен ширший спектр моделювання молекулярної динаміки більш складних наномашин, що працюють на рідкому азоті та кімнатних температурах, у яких як сам механізм, так і його кріплення піддаються впливу теплового шуму.

      (f) Потрібен огляд нової частини останніх експериментальних та симуляційних робіт з нанотрибології (нанорозмірне тертя), а потім оцінка його наслідків (якщо такі є) для продуктивності нанорозмірного обладнання. Наприклад, експериментально продемонстровано надзмащувальну здатність поверхонь ковзання неспівмірного графіту та неспівмірного графену . Подальше розуміння масштабу проблеми та будь-яких конкретних проектних обмежень, які вона може накласти, можна отримати за допомогою кількісного молекулярно-динамічного моделювання простих керованих наномеханічних систем. Навіть низькі значення тертя можуть поставити під загрозу роботу наномашини через генерування високих рівнів локального нагрівання, що може знизити хімічну стабільність таких пристроїв. Витік енергії з рухових режимів машин у випадкові високочастотні вібраційні моди, які утворюють тепло, може відбуватися кожного разу, коли хімічні зв’язки розтягуються за межі діапазону, в якому вони добре апроксимуються гармонійним потенціалом (тобто підкоряючись закону Гука), хоча здається можливим проектувати системи, де бажані режими та дисипативні режими достатньо роз’єднані, щоб забезпечити ефективність 99%+, що значно перевершує аналогічні системи макромасштабу.

          (g) Потрібен огляд літератури, остаточне моделювання та оцінка впливу дифузії водню через алмазоїдні поверхні та об’ємний кристал.

          (h) Потрібен огляд літератури, остаточне моделювання та оцінка впливу радіаційного пошкодження на надійність алмазоїдних механічних структур і операцій.

(3) Дизайн нанофабрики

      (a) Необхідно комплексне моделювання операцій нанофабрики. Зауважте, що кілограм виготовленого продукту, виготовленого з чистого алмазу, містив би ~50 x 10 24 атомів вуглецю, вимагаючи ~50 x 10 24 операцій DMS , припускаючи, що ~1 операція DMS на один атом C; і все ж сучасний настільний комп’ютер бездоганно виконує ~10 24 транзисторних операцій на день. Якщо окремі операції DMS у зрілій виробничій системі можна зробити такими ж простими та надійними, як примітивні транзисторні операції в сучасному електронному комп’ютерному чіпі, тоді рівень складності, притаманний нанофабрикам, можна вважати значним, але не немислимим.

      (b) Проектний простір базової архітектури нанофабрик слід вивчити та оцінити, хоча простір, ймовірно, занадто великий для комплексної оцінки. Хороший проект нанофабрики має бути системою, що підтримує завантаження, має демонструвати легкість перепрограмування, має забезпечувати максимальний геометричний доступ до заготовок під час виробництва, має демонструвати максимальну надійність під час роботи, має бути «безпечним» і демонструвати незмінність, має бути «збірним», і має забезпечувати чисте виробництво та роботу без забруднення.

          (c) Необхідність дослідити можливі вимоги до контрольно-еквівалентного макромасштабу контролю процесу та контрольно-вимірювального обладнання на нанофабриках, включаючи датчики, кінцеві вимикачі тощо, що утворюють сенсорні петлі зворотного зв’язку, які дозволяють умовне спрацьовування. Якщо послідовності виготовлення DMS і послідовності складання деталей можуть бути розроблені таким чином, щоб мінімізувати або усунути небажані реконструкції чи інші структурні патології, тоді потреба в традиційному внутрішньому датчику значно зменшується (разом із кількістю можливих режимів відмови).

          (d) Необхідність досліджувати проекти багаторазових виробничих ліній із кількісним визначенням продуктивності та конструктивних компромісів, включаючи кількість паралельних виробничих ліній, середній час до поломки даної виробничої лінії, оптимальну кількість альтернативних шляхів проходження заготовки через нанофабрику , оптимальна кількість і розташування шунтів виробничого потоку і так далі, щоб визначити надійність і ефективність загальної виробничої операції.

Письмовий зміст цієї сторінки © 2006-24 Роберт А. Фрейтас і Ральф С. Меркл

Автори зображення: Нанофабрика – © Джон Берч, Lizard Fire Studios.