Увод у дијамантску механосинтезу (ДМС)

Диамонд мецханосинтхесис (ДМС), или молекуларни позициони измишљотина, јесте формирање ковалентне хемијских веза користећи управо примењене механичке снаге да изгради  диамондоид  структуре. ДМС може аутоматизовати путем компјутерско управљање, омогућавајући програмабилним молекуларну позициону измишљотина.

Атомски прецизна израда подразумева држање атома или молекула сировине, и растућу радну површину наносног камена, у одговарајућим релативним положајима и оријентацијама, тако да када додирне, спојити ће се на жељени начин.

• Напредак у ДМС (2004 предавање  од  Фреитас)

• Техничка књига на ДМС  од  Фреитас  и  Меркле  (у припреми)
• Аннотатед техничка библиографија  истраживачког рада на дијаманата мецханосинтхесис
• Ландмарк минимални скуп алатки рад на ДМС од  Фреитас и Меркле у 2008. години

Т. је први експериментални демонстрација истинског мецханосинтхесис, успостављање ковалентне везе користећи искључиво механичке силе на силиконским атома, а не атома угљеника, објавили су  Оиабу и колеге  у 2003.  Први ДМС патента је добила у САД 30. марта 2010. до  Роберт А. Фреитас Јр

* Прецизније речено, то је структура дршке која директно прима позицијску контролу и примењене силе, а не прикачене атоме преноса. Међутим, нежељени ефекат позиционирања контракције ручице је у томе што је део на врху такође, у одређеној мери, позиционирано ограничен, далеко више од, рецимо, дела слободног гаса или раствора.

Осим мапирања, СПМ такође може променити површину – на пример, депоновањем појединих атома и молекула у жељеном облику. У једном добро објављеном случају 1989. године, научници су распоредили 35 атома ксенона на површини никла да формирају слова која идентификују њиховог послодавца као “ІВМ”. Али ова манипулација СПМ-ом је захтевала хлађење до 4 степена изнад апсолутне нуле – тешко идеалних услова за производњу великих размера. СПМ такође имају стопе грешке довољно високе да захтевају релативно софистициране методе детекције грешака и исправке. Док ови системи могу да се крећу око неколико атома или молекула, они не могу да израђују велике количине прецизно структурираног дијаманта врсте која би се могла користити за изградњу молекуларне роботске руке.

Данашњи СПМ такође су превише споро. У природи, бактеријски рибозоми потребно најмање 25 милисекунди додати једну амино киселине у растућем протеин под позиционе контролом. Ако је производна нанофацтори линија или молекуларни асемблер је за производњу копију себе (или сопственом масом) у вези једног дана, а ако то захтева око сто милиона Атом пласман операције, онда свака таква операција мора да буде завршен у ~ 1 милисекунди , нешто бржи radna фреквенција од рибозома. Данашње СПМ, насупрот томе, може бити потребно до сат времена да организује један атом или молекул. Главни напредак у брзини СПМ и тачности ће бити потребно да се постигне поуздана дијаманата мецханосинтхесис, и такви помаци су експлицитно експериментални циљ  Нанофацтори цоллаборатион.

Да би одржали свој правилан положај, ручица за додавање алатки и друга носећа конструкција (и радни комад на који се радило ДМС алат) мора бити изузетно чврста. Снага и густина материјала зависи од броја и чврстоће веза које држе своје атоме заједно, и од масивности атома. Елемент који најбоље одговара овим критеријумима је угљеник, који је и лаган и ствара јаче везе од осталих елемената. Посебно је јака веза између угљеника и угљеника. Сваки атом угљеника може се везати за четири суседна атома. И атоми угљеника могу учинити најтврди материјал доступан: дијамант. У дијаманту, густа мрежа јаких веза ствара јак, релативно лаган и веома крут материјал.

Радно окружење за механозинтезу дијаманата се често претпоставља као ултра-висок вакуум (УВВ), мада ДМС који се изводи у течности од племенитог гаса или у другом хемијско инертном флуидном окружењу није непојмљив.

Алати дијамантске механосинтезе

Већ је могуће синтетизовати расутих дијамант данас. У процесу нешто подсећа на распршивањем сликарства, градимо се слој по слој дијаманта држећи површину у облаку реактивних атома водоника и угљоводоника молекула. Када се ови молекули налетети на површину су га мењају, било додавањем, уклањањем или преуређивање атома. Пажљивим контролисањем притисак, температуру и тачан састав гаса у овом процесу – који се зове депоситионхемикалија паре или ЦВД – можемо створити услове који фаворизују раст дијаманта на површини. Типичан подешавање КВБ реактор је приказан у праву.

Али насумично бомбардовање површине са реактивним молекулима не нуди фину контролу над процесом раста и више је као изградња ручних сатова са песком бластером. Да би се постигла атомски прецизна производња, први изазов је осигурати да све хемијске реакције наступе на прецизно одређеним местима на површини. Други проблем је како учинити површину дијаманта реактивним на одређеним местима где желимо да додамо још један атом или молекул. Дијамантска површина је обично прекривена слојем атома водоника (беле атоме на илустрацији површине дијаманта C(110) десно). Без овог слоја, површина сировог дијаманта би била врло реактивна јер би била сједињена са неискоришћеним (или “висећим”) везама са најсеверније равни атома угљеника. Док хидрогенација спречава нежељене реакције, она такође чини целу површину инертном, што отежава додавање угљеника (или било чега другог) на њега.

Да бисмо превладали овај проблем, можемо користити скуп алата молекуларних размера који би, у низу добро дефинисаних корака, припремили површину и створили угљоводоничне структуре на слоју дијаманта, атому атомом и молекулом помоћу молекула. Механосинтезни алат има две главне компоненте – хемијски активан ослонац и хемијски инертна дршка на коју је обележје ковалентно спојено. Структура ручке се позиционира манипулисањем користећи СПМ или сличан инструмент.

Најмање три основна мецханосинтхетиц алата који су већ добили значајна  теоријска (и неки експериментално) студија ће бити потребне за изградњу атомски прецизно дијамант преко позиционе контроле:

(1) Водоника алати,

(2) Карбон  позицију алати, и

(3) Водоник  донација алати.

1 2 3

(1) Алат за абстракцију водоника

Први корак у процесу мецханосинтхетиц израду диамонд може бити да уклоните атом водоника из сваког од два специфична суседна места на површини дијаманта, остављајући две реактивне висећи обвезнице. Ово се може урадити коришћењем водоника алат – замрзнуте -теоријски молекуларну структуру која има велику хемијску афинитет за водоник на једном крају, али су на другом месту инертан.

Нереактивна област алата служи као ручица или тачка приања. Алат би се држао помоћу молекуларног положаја, у почетку можда скенирања сонде микроскопа врх, али на крају молекуларна роботска рука, и преселили се директно изнад одређених атома водоника на површини. Један погодан молекул за алатку за апстракцију водоника је ацетиленски радикал – два атома угљеника троструки повезана заједно. Један угљеник би био веза ручке и би се повезао са алатом за позиционирање наноса кроз већу структуру ручице која се можда састојала од адамантан кавеза, као што је приказано на слици на десној страни. Други угљеник има везивну везу где би атом водоника био обично присутан у молекулу обичног ацетилена (С₂Н₂). Окружење око алата би било инертно (нпр. Вакуум или племенити гас као што је неон).

Најдетаљнији анализа нај изучену етинил-басед водоника алат је  известио  Темелсо ет ал (2006) као један  од многих заједничких напора које садрже Нанофацтори Цоллаборатион. Нон-етинил-басед водоник апстракција алати су предложили други, али нису добили релативно ограничен теоријско истраживање до сада. Практичан метод за изградњу овог алата је предложен и патентирао  2008. године Фреитас и Меркле, а експериментални тест овог предлога је у току.

1 2 3

(2) Алат за постављање угљеника

Једном када је алат за абстракцију створио сусједне реактивне тачке селективно уклањањем атома водоника са дијамантске површине, други корак је депоновање атома угљеника на жељеним местима. На тај начин изграђена је дијамантска структура, молекула по молекулу, према плану.

Први  комплетан  алат икада предложен за ову таложења угљен функцији,  пријављено  је Меркле и Фреитас на Форесигхт конференцији 2002. године, је  DCB6  димера пласман алат. Димер је молекул који се састоји од два иста атома или молекула слепљене. У овом случају, димер би био С₂  – два атома угљеника повезане троструком везом, са сваким угљеника у димера повезан са већом нереактивном ручке структуре.

Алат за димер плацемент, такође држи молекуларном позиционе уређај, се доводи близу реактивних места дуж одређене путању, узрокујући два данглинг површине обвезнице да реагује са крајевима угљеника димера. Алат димер плацемент би затим повући, разбијање релативно слабије везе између њега и СС димера и преношење угљен димера са алата на површину, као што је приказано  горе. Позиционо контролисан Димер се може придружити било где на растуће диамондоид радног комада, у принципу омогућава изградњу разних корисних нанопарт облика.

Од 2006. године,  DCB6  димера постављање алат остаје  највећи студирао  било мецханосинтхетиц тоолтип до данас, што је више од 150.000 CPU сати рачунања уложена до сада у својој анализи као један од најранијих заједничким напорима које чине  Нанофацтори Сарадња, користећи два Беовулф кластери у Zyvex. DCB6 објашњење мотив је једини објашњење мотив који је  успешно симулирао за предвиђену функцију са пуним 200-атома дијаманата површине. Дана 30. марта 2010. године,  САД Патент бр 7.687.146 издата је метод за производњу у DCB6 функције – први патент икада издато дијаманата мецханосинтхесис. Остали димера (и сродна угљен пренос) објашњење мотива који су примили мање студију, али се такође очекује да изврши добро су предложила  Дреклер  (1992), Меркле (1997), Меркле и Фреитас (2003), Аллис и Дреклер (2005),  Фреитас Аллис и Меркле (2006), Фреитас и Меркле (2008), и други, укључујући најкорисније за Гермил Метхилене (GM) средство за додавање метил групе у дијаманта, као што је први описао  Фреитас и Меркле у 2008. години.

1 2 3

(3) Алати за донацију водоника

Након атомско прецизне структуре произведене су сљедњом абстракцијом водоника и одлагањем угљеника, фабричка структура мора бити пасивирана како би се спречиле додатне непланиране реакције.

Док водоник апстракција алат је намењен да буде инертан структура реактивни стварањем висећи Бонд, алат водоника донација  ради супротно. То чини реактивну структуре инертан прекидајући на висећи везу. Такав алат би се користила за стабилизацију реактивне површина и спречавају атоме површину од преуређења у неочекиваним и нежељених начине. Кључни захтев за алат водоник донације је да укључује слабо везан атом водоника. Многи молекули одговара том опису, али веза између водоника и германијума (или калај) је посебно слаба. Ge-басед (или Sn-басед) водоника алат донација треба да буде ефикасна.

Најдетаљнији анализа највише проучава супституисани-адамантане заснованог алатка водоника донације су објавили  Темелсо ет ал (2007), као један од заједничких напора које чине  Нанофацтори цоллаборатио. Алтернативни водоник донација алата мотиви су предложили други, али нису добили релативно ограничен теоријско истраживање до сада.

Зашто само дијамант?

Ови  неколико молекуларни алати, плус неколико других, треба да нам омогући да се направи широк спектар атомски прецизних крутих структура састављена од водоника и угљеника – нпр, дијамант.

Сасвим сигурно, ово је далеко мање амбициозан почетни циљ него покушај употребе свих 90+ природних хемијских елемената у периодичној табели. Али у замјену за сужавање нашег фокусирања на ову ограниченију класу структура, олакшавамо детаљно анализирање структура које се могу измјерити и синтетичке реакције које су потребне за њих. У ову категорију спадају дијамант и његове варијабилне варијанте, као и фулерени (листови атома угљеника који се увлаче у сфере, цеви и друге облике). Ови материјали могу саставити све дијелове потребне за основне наномеханске уређаје као што су подупирачи, лежајеви (илустрација на десној страни), зупчаници, шипке, кућишта и роботске руке.

Касније, с обзиром да су наше аналитичке и експерименталне способности у ДМС-у зреле и као и више алата, они се могу додати, као што су атоми допанта за производњу дијамантских електронских уређаја и силикон који замјењује угљеник као структурни кавезни атом у неке апликације.

Ова и њима сродна структуре, можда још састављене углавном од угљеника и водоника, али сада у комбинацији са атома азота, кисеоника, силицијума, и неколико других хемијских елемената, ће се попунити нашу способност да произведе шири спектар целокупног класе “диамондоид” материјала. То ће омогућити много већи разноликост готових производа, као што лежајева у ширем опсегу величине који користе друге атоме (ван водоника и угљеника) са различитим ковалентна атомском радијуса, како је илустровано на десној.

Први предлог практичне процесе за изградњу  DCB6Ge мецханосинтхетиц тоолтип, од  Фреитас, је поднет као  привремену патента  у фебруару 2004. године, а као пуноправна комуналне патента од стране Zyvex у фебруару 2005. године – први мецханосинтхесис патента икада поднео. Реад рану верзију пријаве патента  овде  или овде.

Обрадивост од Фреитас предложеног процеса ‘је већ добила вредне и добродошао критике из научне заједнице, и  Фреитас,  верује да нека верзија тог процеса може бити довољно одржива да послужи као витални одскочну даску за софистицираније ДМС приступима.

Методе за изградњу три додатна ДМС Тоолтипс експериментално користећи само тренутно доступне лабораторијске технике су предложили Фреитас и Меркле у 2008. години. До септембра 2007. године, када је поднета патент, калибрација стазе је почео на ново-стечено скенирање сонде опрему која је требало да се користи од стране наших учесника експерименталиста у покушају да се изгради први ДМС Тоолтип користећи један од предложених ДМС реакција секвенци.

Други практичне предлоге за изградњу прве ДМС тоолтипс, користећи постојеће технологије, жељно траже од Нанофацтори  Цоллаборатион.

Када су први ДМС алати су направљени, они се могу користити за изградњу следећу генерацију прецизније, лакше пуњиве, и генерално много побољшане мецханосинтхетиц алатима (илустрација на десно). Крајњи резултат овог итеративном процесу развоја ће бити зрела скуп ефикасних, позиционо контролисаним мецханосинтхетиц алата који поуздано може да изгради атомски прецизне диамондоид структуре – укључујући више ДМС алата.

У фабричке производње линије, појединачне ДМС Објашњења могу бити причвршћена на круте структуре креће подршке и води кроз поновљених контакт догађаја са делова, пуњење станица, и другим сличним-причвршћених аппосед тоолтипс. Ови молекуларни млинови могу на тај начин изврше понављају кораке производних процеса применом једноставних, ефикасних механизама. Млинови могу, у принципу, може управљати и при великим брзинама – са позиционо ограничени мецханосинтхетиц сусрети евентуално јављају у до мегахерца фреквенције.

Користећи Објашњења компјутерски аутоматизована перформансом под контролом позиционо-ДМС у дугим програмираним секвенцама реакције корака, можда ћемо моћи да измишљају једноставне диамондоид наномецханицал делове, као што су лежајева, зупчаника, шипкама, врела, логика шипкама и црева за атомску прецизност.

Рани алати би напредовали од појединачних ДМС алата који су манипулисани механизмима попут СПМ-а, до сложенијих мултитип алата и џигова које би једноставни алати могли производити, по један. Ови помоћни алати би затим били искоришћени за стварање прогресија више способних алата и механизама, линија развоја која се завршава производним линијама концептуално сличне онима илустрованим (само схематски) на десној страни.