Przyspieszenie rozwoju nanotechnologii molekularnej

This is the translation. The original web-page (oryginalna strona): http://www.molecularassembler.com/Nanofactory/2003Proposal.htm

Nanofactory

Współpraca

W grudniu 2003 r. Ralph Merkle został wyróżnionym profesorem informatyki w Georgia Tech, a Robert Freitas był naukowcem w Zyvex. Zaproponowali 4-5 osobowy zespół najlepszych naukowców, dysponujący łącznym budżetem 5 milionów dolarów w ciągu pięciu lat, w celu ukończenia szczegółowych projektów narzędzi do wbudowywania sztywnych węglowodorów w molekularne komponenty maszyn oraz do produkcji artykułów w czasopismach i grafik przedstawiających budowę molekularnych komponentów maszyn. Celem było opisanie pełnego zestawu narzędzi/reakcji molekularnych, zweryfikowanych przy użyciu odpowiedniego oprogramowania do chemii obliczeniowej, aby zapewnić potężną podstawę dla NNI i innych sponsorów do uznania fabryk molekularnych za godne głównego nurtu finansowania.

Proponowany budżet: 5 milionów dolarów w ciągu pięciu lat

Tło

Nanotechnologia molekularna (MNT) to projektowana technologia wytwarzania, która powinna umożliwiać niedrogie układanie atomów na większość sposobów dozwolonych przez prawo fizyczne. Oprócz komputerów o kilka rzędów wielkości potężniejszych niż jakiekolwiek istniejące obecnie, MNT umożliwi również niedrogą konstrukcję lekkich, mocnych, inteligentnych materiałów, które zrewolucjonizują zastosowania w lotnictwie i innych dziedzinach, a także molekularne urządzenia medyczne, które zrewolucjonizują medycynę. Niedrogie ogniwa słoneczne i baterie wyeliminują naszą zależność od węgla, ropy i paliw jądrowych. Krytyczne parametry wydajności dla prawie wszystkich wytwarzanych produktów przyniosą znaczące i często rewolucyjne ulepszenia, które fundamentalnie zmienią nasze relacje ze światem materialnym.

Następny krok

Najważniejszym kolejnym krokiem w osiąganiu MNT jest przedstawienie jasnych i dokładnych opisów podstawowych reakcji chemicznych, które będą zachodzić. Twierdzi się, że narzędzia molekularne o chemicznie specyficznych strukturach końcówek mogą być używane sekwencyjnie do modyfikowania obrabianego elementu i budowania szerokiego zakresu struktur molekularnych. Proces ten, zwany „mechanosyntezą”, jest łatwo dostępny dla badań teoretycznych i obliczeniowych. Rzeczywiście, opublikowano już kilka artykułów opisujących konkretne narzędzia i określone reakcje chemiczne (dostępna jest bibliografia). Być może najlepiej zbadaną reakcją jest selektywne usuwanie wodoru przy użyciu rodnika o kontrolowanej pozycji (patrz np. http://www.zyvex.com/nanotech/Habs/Habs.html).

Propozycja

Propozycja jest w zasadzie prosta: zweryfikuj wykonalność mechanosyntezy poprzez szczegółową analizę niektórych odpowiednich narzędzi molekularnych i operacji syntezy pozycyjnej, z wykorzystaniem chemii obliczeniowej do modelowania i weryfikacji wykonalności operacji jednostkowych.

MNT proponuje uporządkowanie elementów pochodzących z całego układu okresowego w przydatne struktury. Aby analiza była wykonalna, proponujemy analizować tylko syntezę sztywnych węglowodorów – elementów strukturalnych wykonanych z węgla, których powierzchnia jest zakończona wodorem. Inne pierwiastki będą wprowadzane tylko oszczędnie i tylko wtedy, gdy będzie to konieczne, aby wspierać podstawowe funkcje katalityczne (patrz, na przykład, Proponowany „metabolizm” dla asemblera węglowodorów).

Sztywne węglowodory obejmują grafit, diament, fulereny, nanorurki i wiele innych przydatnych struktur, które same w sobie wystarczyłyby do zrewolucjonizowania produkcji.

Powód

Celem tych badań jest wpłynięcie na dalsze badania, w szczególności badania eksperymentalne. Oznacza to, że badanie teoretyczne, niezależnie od tego, jak wnikliwe czy wnikliwe, nie pozwoli nam zbudować molekularnie precyzyjnych produktów. Może jednak wpłynąć na klimat badań i przekierować finansowanie i cele badań. Obecnie nie ma dobrze finansowanego projektu, którego wyraźnym celem jest rozwój MNT. Istotną przyczyną tej nieobecności jest brak jasnego, dobrze zdefiniowanego celu, którego wykonalność została dobrze potwierdzona odpowiednimi badaniami.

Ponieważ badania te mają na celu wywarcie wpływu na dalsze badania i finansowanie, podstawowym celem musi być rozpowszechnianie ich wyników w łatwo zrozumiałej i wysoce wiarygodnej formie. Wiarygodność zostanie wygenerowana przez replikację wyników obliczeń przy użyciu wielu narzędzi chemii obliczeniowej, wraz z recenzowaniem i publikacją w ogólnie przyjętych czasopismach z zakresu chemii obliczeniowej. Najlepszym sposobem rozpowszechniania jest organizacja, która ma doświadczenie w przekazywaniu koncepcji MNT szerszej publiczności. Organizacją o najlepszych i najdłuższych osiągnięciach w tym zakresie jest Foresight Institute. Chociaż dokładny procent całkowitego wysiłku, który należy poświęcić na rozpowszechnianie wyników, może być przedmiotem dyskusji, należy zauważyć, że wiele organizacji odnoszących sukcesy przeznacza aż połowę swoich przychodów brutto na sprzedaż i marketing. Przydzielenie 20% zasobów projektu bezpośrednio na edukację wydaje się rozsądne.

Wyniki

Rezultaty tej pracy będą:

1. Specyfikacje zestawu narzędzi molekularnych, które łącznie będą w stanie zsyntetyzować szeroką gamę sztywnych węglowodorów.

2. Opis zestawu molekularnych komponentów maszyn wykonanych ze sztywnych węglowodorów, które można zsyntetyzować za pomocą wyżej wymienionych narzędzi (wraz ze szczegółami sekwencji syntezy).

3. Artykuły przesłane do odpowiednich czasopism z zakresu chemii obliczeniowej (i być może do niektórych czasopism o szerszym zasięgu) opisujące specyfikę narzędzi molekularnych i zachodzących reakcji chemicznych. Każdy z tych artykułów będzie stanowić niewielki fragment większej całości i będzie opisywać i analizować pewną specyficzną reakcję na określonej powierzchni z tak szczegółami, że wykonalność tej reakcji zostanie ogólnie zaakceptowana.

4. Obrazy graficzne (nadające się do przekazu w telewizji lub innych mediach, a także do rozmów z publicznością techniczną i ogólniejszą) przedstawiające różne reakcje, wraz z sekwencjami wymaganymi do wykonania wybranych komponentów molekularnych maszyn.

Obecnie najlepiej analizowaną reakcją jest narzędzie do poboru wodoru (patrz http://www.zyvex.com/nanotech/Habs/Habs.html). To narzędzie zostało przeanalizowane w wielu programach chemii obliczeniowej, z których wszystkie dały bardzo podobne wyniki. Będziemy musieli zapewnić podobną głębokość analizy dla co najmniej sześciu do dziesięciu narzędzi, aby opracować minimalny zestaw narzędzi zdolnych do syntezy sztywnych węglowodorów, i będziemy musieli zbadać być może pięć do dziesięciu razy więcej narzędzi (tj. 30 do 100) ponieważ wiele propozycji narzędzi po prostu nie będzie działać zgodnie z oczekiwaniami, co wymaga opracowania dodatkowych propozycji narzędzi.

Minimalny wysiłek potrzebny do osiągnięcia wiarygodności może wymagać zespołu 4-5 osób pracujących przez kilka (może pięć) lat. W zależności od dokładnych założonych kosztów ogólnych (wsparcie instytucjonalne/koszty ogólne, wymagania obliczeniowe itp.), Wskaźnik spalania prawdopodobnie wyniesie ~ 1 000 000 USD rocznie. Należy zauważyć, że poziom zaangażowanych badaczy musi koniecznie być wysoki, aby uzyskać takie przekonujące wyniki, które są celem tego projektu. Warto zauważyć, że więcej osób pracujących nad problemem będzie mogło przyspieszyć rozwój w sposób niemal liniowy: będzie wiele różnych narzędzi, a różne podzespoły będą mogły analizować różne narzędzia całkowicie niezależnie od siebie. Innymi słowy, więcej pieniędzy oznacza szybsze wyniki.

Cel jest prosty. Po uzyskaniu łatwo zrozumiałego filmu wideo z odpowiednich etapów syntezy, popartego dogłębną analizą techniczną i opublikowanymi artykułami w odpowiednich czasopismach, powinna istnieć wystarczająca akceptacja podstawowej wykonalności mechanosyntezy, aby umożliwić pozyskanie dodatkowych funduszy z szerszego zestawu sponsorów do wspierania kolejnych kroków w procesie rozwoju.

Wniosek

Największą przeszkodą w rozwoju MNT jest jasny i wiarygodny opis narzędzi molekularnych oraz specyficznych dla miejsca reakcji chemicznych zaangażowanych w mechanosyntezę. Ten jasny i wiarygodny opis można uzyskać w ciągu kilku lat przy użyciu istniejącego, gotowego oprogramowania do chemii obliczeniowej i niewielkiego zespołu programistów.

W przypadku braku tak jasnego i wiarygodnego opisu rozwój MNT może zostać opóźniony o dziesięciolecia. Jest to bardzo opłacalny projekt.

Bibliografia techniczna do badań mechanosyntezy pozycyjnej

Oryginalny link do Foresight Institute pod adresem http://www.foresight.org/stage2/project1A.html

Ostatnio zmodyfikowano 23 lipca 2006 r