Desafiaments tècnics per aconseguir crear diamantina posicional i nanofàbriques de diamants

Traducción realizada por Mauri, traductor a Catalán y experto en traducciones técnicas, colaborador de la agencia Ibidem Group.

Texto original escrito por Robert A. Freitas y publicado en
http://www.molecularassembler.com/Nanofactory/Challenges.htm

***

Hi ha molts reptes tècnics que s’han de superar per demostrar la viabilitat de la fabricació molecular de diamants, sistemes de màquines moleculars, robòtica a nanoescala i nanofàbriques . El cas científic bàsic de la viabilitat va ser presentat per primera vegada per K. Eric Drexler al seu històric llibre de text d’enginyeria Nanosystems (1992) . A partir del treball de Drexler, Freitas ha defensat la viabilitat tècnica de la nanorobòtica mèdica a la seva sèrie de llibres tècnics Nanomedicine Vol. I (1999) i Nanomedicine Vol. IIA (2003) i Freitas i Merkle han analitzat l’estat actual de l’art en la fabricació molecular al seu llibre tècnic Kinematic Self-Replicating Machines (2004) .

Amb el concepte i la utilitat potencial dels sistemes de màquines moleculars ben establerts per aquest treball preliminar, la comunitat tècnica comença ara a examinar seriosament aquestes propostes amb més detall per avaluar-ne la viabilitat. L’escepticisme constructiu de la comunitat tècnica és tant desitjat com essencial per a l’èxit de la Col·laboració Nanofactory . Només centrant-nos intensament en la infinitat de detalls de la implementació es pot aconseguir una comprensió més completa dels reptes i limitacions dels sistemes de màquines moleculars.

Disclaimer: Esta traducción a catalán ha sido realizada por un traductor no profesional y podría contener imprecisiones. Si necesitas servicios de traducción técnica o científica a otros idiomas, contacta con traductores profesionales especializados. Tenemos agencia de traducción en Madrid y oficina de traducción en Barcelona, y otras ciudades españolas.

Des de l’any 2001 hem estat recopilant una llista creixent de reptes tècnics per a la implementació de sistemes de fabricació molecular de diamants i màquines moleculars . Aquesta llista, que és llarga però gairebé segurament incompleta, és paral·lela i incorpora les preocupacions escrites expressades en comentaris reflexius de Philip Moriarty el 2005 i Richard Jones el 2006. Agraïm aquestes crítiques i encoratgem més comentaris constructius i suggeriments per a reptes tècnics addicionals que potser hem passat per alt, en línies similars per altres.

La nostra llista representa una estratègia de recerca a llarg termini que serveix com a resposta directa a la crida recent (2006) del Comitè de Revisió NMAB/NRC , en la seva revisió de l’NNI, ordenada pel Congrés, per als defensors de la » química específica del lloc per a grans -fabricació a escala ” per: (1) delimitar direccions de recerca desitjables que la comunitat de bioquímica encara no segueix; (2) definir i centrar-se en alguns passos experimentals bàsics que són crítics per avançar en objectius a llarg termini; i (3) descriure alguns estudis de » prova de principis » que, si tenen èxit, proporcionaran coneixements o demostracions d’enginyeria de principis o components clau amb un valor immediat.

Els investigadors interessats a unir-se a la Col·laboració Nanofactory per ajudar-nos a resoldre definitivament cadascun dels reptes tècnics restants realitzant les investigacions teòriques i, en alguns casos, experimentals necessàries.

La nostra llista actual de reptes tècnics s’organitza en les quatre categories de capacitats tècniques que creiem que són necessàries per assolir amb èxit la fabricació molecular de diamants posicionals, que permeti el desenvolupament de nanofàbriques . Aquesta llista és actualment més extensa a l’àrea de la mecanosíntesi de diamants (DMS), ja que DMS ha estat l’enfocament principal dels nostres primers esforços cap a la implementació de nanofàbrica .

(I) Reptes tècnics per a la mecanosíntesi del diamant

(A) TEÒRIC

(1) Disseny i simulació de tooltips de DMS

(a) Necessiten simulacions computacionals de nous consells sobre eines mecanosintètics

(b) Necessiten simulacions computacionals d’estructures de mànec d’informació d’eines que tinguin relacions d’aspecte elevades que permetin una proximitat propera als llocs de reacció de la peça i (possiblement múltiples) suggeriments juxtaposats a prop d’un lloc de reacció.

(2) Disseny i simulació d’interaccions tooltip-piece

(a) Necessiten simulacions d’interaccions entre eines i peça amb superfícies de diamant (es recomana VASP o programari equivalent).

(b) Necessita anàlisi de trajectòries d’aproximació eina-peça òptimes, configuracions de posició relatives òptimes d’eines i peça de treball i mapeig dels sobres de treball de la informació d’eina en relació amb paràmetres controlables experimentalment com ara l’estat de rotació de la informació d’eina, els angles de la peça d’eina i les distàncies de la peça d’eina.

(c) Necessiten avaluacions analítiques i estadístiques de si la mecanoquímica bàsica del DMS és prou fiable per procedir sense verificació d’errors.

(d) Necessita una enumeració i una avaluació exhaustives de tots els estats patològics que la peça pugui adoptar durant una reacció DMS . Aquesta anàlisi ha d’incloure l’endo-/exoergicitat de la reacció en relació amb l’estat desitjat, les barreres als estats patològics i els estats patològics intermedis/transicionals que la peça de treball pot adoptar durant la reacció DMS o un cop completada la reacció DMS . S’han de controlar i eliminar les densitats de defectes de la peça.

(3) Disseny i simulació d’interaccions eina-eina

(a) Necessiteu estudis sobre una possible congestió estèrica entre els consells d’eines proximats . Molts grups que treballen en sistemes de sondes d’escaneig de doble sonda s’han trobat amb límits fonamentals sobre la proximitat que es poden col·locar dues sondes, a causa del radi de curvatura finit de les puntes de la sonda d’escaneig existents. Per tant, els modes de fallada del DMS poden incloure un obstacle estèric de les reaccions desitjades, una possible reconstrucció atòmica d’estructures de mànec d’eines que s’apropen massa i un dany mecànic total a causa del xoc de punta. La combinació ideal d’informació d’eines i mànec tindrà una relació d’aspecte elevada per permetre una proximitat màxima de les descripcions d’eines. Els límits de les embolcalls operatives dels tooltips estretament juxtaposats s’han de quantificar tant teòricament com experimentalment.

(4) Simulació d’ interaccions mecanosintètiques en un entorn de buit realista

(a) Necessiten simulacions i estudis que examinin els consells sobre eines amb llocs radicals exposats que es col·loquen en entorns de buit experimentals realistes. Cal avaluar el risc d’enverinament de llocs radicals a causa de contaminants perduts i estimacions de la vida útil esperada d’aquests llocs radicals exposats en aquests entorns de buit. Quin nivell de buit és el mínim necessari per a una vida útil adequada de la informació sobre eines per permetre processos DMS factibles? Alguns contaminants probables són pitjors que altres?

(b) Necessiten simulacions i estudis que examinin peces de treball i superfícies diamantoides amb llocs radicals exposats que es col·loquen en entorns de buit experimentals realistes. Cal avaluar el risc d’enverinament de llocs radicals a causa de contaminants perduts i estimacions de la vida útil esperada d’aquests llocs radicals exposats en aquests entorns de buit. Quin nivell de buit és el mínim necessari per a una vida útil adequada de la peça de treball o de la superfície diamantada per permetre processos DMS factibles? Alguns contaminants probables són pitjors que altres?

(c) Necessitat d’estudi dels sistemes de buit existents i disponibilitat de buits molt alts. També cal avaluar l’augment probable del risc de contaminació de l’espai de treball per fonts diferents de les puntes d’eina i les peces de treball, especialment la desgasificació (dessorció) de molècules contaminants de superfícies, nanses d’eines, segells o altres mecanismes que puguin estar presents dins del volum de l’espai de treball.

(5) Disseny i simulació de seqüències de reacció DMS senceres

(a) Necessita disseny i simulació de seqüències de reacció DMS que minimitzin les reconstruccions de peces de treball, informació sobre eines i estructures intermèdies, i que mantinguin una passivació adequada de les estructures de peces intermèdies.

(b) Necessitat de dissenyar i simular procediments de recàrrega d’informació d’eines per a suggeriments d’eines descarregats.

(c) Necessiteu una definició concisa d’un «conjunt d’eines mínimes» i un conjunt de reaccions mínims per a DMS bàsics , incloses seqüències específiques de reacció de construcció de diamants, que siguin necessàries i suficients per construir estructures de diamant simples (per exemple, Merkle (1997) , Freitas (2007)).

(d) Ampliació i elaboració de «conjunts d’eines mínims» suficients per aconseguir un DMS estès , inclosa la fabricació controlada de manera posicional de closca còncava, corba i tensa. estructures diamantoides .

(6) Disseny i simulació de procediments DMS més enllà dels hidrocarburs

(a) El DMS s’ha d’estendre a àtoms diferents de C i H, idealment assegurant una combinació de densitat d’enllaç penjant propera a zero, barreres de difusió elevades i enllaços covalents direccionals.

(7) Reordenació i reconstrucció de les superfícies de la peça

(a) Les petites estructures diamantoides que es preveuen habitualment per a les peces nanomecàniques (i les seves estructures intermèdies durant i després de cada reacció DMS en el procés de fabricació) són estructuralment estables o es reorganitzen? Les investigacions recents sobre reordenacions de » nanodiamants » seran instructives i haurien de ser revisades àmpliament, juntament amb la literatura que descriu els efectes de la passivació/ despassivació de H i la temperatura sobre la naturalesa i la freqüència de les reconstruccions superficials.

(b) Si aquestes petites estructures diamantoides es reorganitzen, la reordenació és regular i fiable, o aleatòria i multiestructural? Es pot invertir la reordenació, per exemple, mitjançant la repassivació de la superfície reconstruïda, com amb la superfície del diamant C (111)? Es pot ignorar la reordenació, com en el cas d’un mànec d’informació d’eines que es reorganitza d’una manera coneguda però relativament inofensiva després de la seva fabricació (és a dir, d’una manera que no afecti la fiabilitat de la química controlada posicionalment que té lloc a la punta)?

(c) Necessita una revisió de la literatura i estudis teòrics suplementaris sobre la propensió de la superfície diamantoide a patir una grafitització i les condicions en què es pot produir aquesta patologia estructural.

(d) Necessiteu una revisió de la literatura i estudis teòrics suplementaris sobre la propensió i la taxa de migració de les espècies ads a través de les tres superfícies de diamant principals, incloses també les migracions al llarg de les estructures de cornisa i cantonades, al voltant de les vores dels forats i a través de regions convexes i còncaves, com a funció. del tipus d’ espècie i la temperatura del sistema. Aquests estudis haurien d’incloure una anàlisi i quantificació de qualsevol barrera a la difusió i migració superficial.

(e) Necessiteu un estudi de fins a quin punt la fotoexcitació condueix a una reacció errònia i una reordenació d’aquestes estructures (i dels seus intermedis durant la fabricació).

(f) Necessita un estudi de fins a quin punt la presència i la distribució geomètrica dels enllaços tensos, i el grau de tensió, influeixen en la reconstrucció de petits diamants nanoparts i les seves estructures intermèdies.

(g) Es necessiten càlculs de química quàntica adequats (per exemple, ab initio , teoria funcional de la densitat) per determinar l’estabilitat estructural i química de les peces de la màquina diamantada objectiu , donant lloc a l’estructura estable a l’equilibri (l’estructura amb l’energia lliure més baixa). Les simulacions de mecànica molecular per si soles no poden determinar-ho amb precisió.

(h) Es necessiten simulacions de dinàmica molecular que utilitzen química quàntica (per exemple, AIMD) per sondejar l’estabilitat cinètica d’estructures metaestables. Les estructures metaestables són estructures que no estan en equilibri però que tenen una probabilitat prou baixa de transformar-se a l’estat (no desitjat) més estable que encara poden ser útils per a finalitats pràctiques de nanoenginyeria. L’avaluació de la utilitat de les estructures metaestables requereix el càlcul de la barrera energètica que impedeix la reconstrucció i assegurar-se que l’energia disponible al sistema (ja sigui tèrmica, mecànica o una altra) sigui insuficient per empènyer el sistema metaestable sobre aquesta barrera.

(i) Només un subconjunt molt petit de superfícies no acabades no es reconstrueix. Cal una revisió de totes les superfícies (tant passivades com no passivades ) que se sap que no es reconstrueixen. Això proporcionarà una llista primerenca d’objectius per als intents experimentals de D. L’exemple més conegut de superfície que no es reconstrueix és la superfície de diamant C (110). Una revisió posterior més àmplia del fenomen general de la reconstrucció de la superfície ajudaria a prioritzar la llista d’objectius secundaris per a futures experimentacions mecanosintètiques. Per a aquest estudi més ampli, hi hauria d’haver un èmfasi analític en la ceràmica covalent rígida i els sòlids relacionats, i en els nanoclusters de mida <10 nm que són més directament anàlegs a les nanoparts mecàniques proposades com els engranatges i els coixinets que poden contenir fins a 104 ^àtoms cadascun.

(j) Cal un estudi definitiu per determinar si la superfície neta (no passivada) C( 111) es reconstruirà espontàniament a temperatura ambient o per sota, i per determinar per sota de quin llindar de temperatura, si n’hi ha, no es reconstruirà.

(k) Necessitat de quantificar l’impacte en la fiabilitat i la repetibilitat del DMS dels fenòmens de relaxació superficial, a diferència dels fenòmens de reconstrucció superficial, per exemple, tal com el descriuen Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff et al (1994), Venables (2000), i Luth (2001). Els efectes de relaxació poden ser significatius en molts materials diamantoides, sobretot en el cas del safir (alúmina, Al ₂ O ₃ ) on les relaxacions superficials dels ions d’oxigen poden assolir ~ 50% de l’espai entre capes a la cara hexagonal (0001).

(8) Disseny i simulació de sistemes de presentació de matèries primeres moleculars per a DMS

(a) Necessitat de dissenyar i simular la presentació de molècules de matèria primera lligades a superfícies fixes, per a una fàcil recollida mitjançant eines de deposició mecanosintètica , així com el ventall de moviments i procediments per adquirir molècules de matèria primera en una informació d’eina controlada posició des d’una superfície de presentació de molècules de matèria primera.

(b) Alternativament, s’hauria d’explorar la unió, el transport a través de superfícies de barrera i el posicionament de molècules inicials de matèries primeres líquides o gasoses sense restriccions posicionals (per exemple, acetilè o C ₂ H _{2 )} amb vista al disseny de llocs d’unió basats principalment en moleculars. propietats estèriques (forma) que es poden dissenyar de manera flexible per utilitzar-les en sistemes de fabricació molecular.

(B) EXPERIMENTAL

(1) Disseny general i construcció de sistemes de nanoposicionament UHV d’alta precisió

(a) La nova capacitat experimental més necessària és el desenvolupament d’un sistema de posicionament SPM de baix soroll amb una precisió de posicionament sub-Angstrom (0,2-0,5 Å) altament repetible en camins d’anada i tornada d’1 micra, juntament amb un subnanometre. sistema de coordenades de precisió que abasta almenys desenes de micres.

(b) Necessiten un sistema de posicionament que minimitzi la histèresi i el joc, o que, com a mínim, funcioni d’una manera prou repetible com per garantir la precisió de col·locació de la informació sobre eines de 0,2-0,5 Angstroms.

(c) Extensió dels sistemes de nanoposicionament de múltiples puntes , augmentant els graus de llibertat possibles per al posicionament d’una sola molècula (per exemple, disposar de la rotació i la inclinació de la peça durant els esdeveniments de manipulació) en els primers sistemes, i possiblement per incloure, en sistemes posteriors, el tancat. control de bucle d’un sistema AFM de doble punta amb almenys 5 graus de llibertat per tooltip (6 DOF per punta seria millor per assegurar-nos que puguem alinear amb precisió les tooltips).

(d) S’han de proporcionar entorns ultranets UHV amb una contaminació mínima. Un buit UHV típic de ~ 10 ^-9 torr donaria a l’experimentador, de mitjana, ~ 1000 segons abans que es produeixi l’enverinament d’un lloc radical exposat a causa d’un impacte d’àtoms, ions i molècules contaminants perduts. La capacitat de treballar dins de petits volums ajudaria. Per exemple, un buit d’1 nanotorr dins d’una caixa tancada de 10.000 micres cúbics conté, de mitjana, molt menys d’una molècula contaminant, que normalment fa, en efecte, un buit perfecte.

(e) S’ha d’estudiar el control per ordinador de trajectòries, rotacions i posicionament, amb l’objectiu final d’automatitzar completament el procés DMS de manera que les nanoestructures es puguin fabricar segons un plànol particular.

(2) Reptes específics dels sistemes de nanoposicionament DMS

(a) Necessiten nous mètodes de registre posicional i d’alineació de la informació d’eina en relació amb el lloc de reacció objectiu de la peça de treball. Fins i tot un desajust extremadament petit en l’alineació de la informació d’eina donarà lloc a la formació d’enllaços no desitjats. En el cas d’una punta multieina, cada eina ha de ser capaç d’alinear-se i col·locar-se amb precisió sobre el lloc reactiu adequat de la peça.

(b) Necessiten un registre i una alineació de posició repetibles d’una informació d’eina reposicionada nova o de retorn, en relació amb un lloc de peça visitat prèviament per una informació d’eina, amb la precisió suficient per permetre un DMS de baix error .

(c) Necessiten una rotació i una inclinació repetibles de la informació sobre eines d’una informació sobre eines nova o de retorn, en relació amb un lloc reactiu de la peça de treball, amb la precisió suficient per permetre un error baix. DMS . Es preveu que petits canvis en la inclinació de la informació d’eina alterin l’exoergicitat de la reacció, les barreres de reacció i la fiabilitat de la reacció.

(d) Necessitat d’elaborar mètodes per al registre posicional de múltiples consells d’eines proximats . Com localitza una eina, en relació amb una altra, per dur a terme un pas mecanosintètic que requereixi l’acció coordinada de dues o més informació sobre eines? Aquest problema s’aplica tant a les posicions relatives d’informació d’eines com a les rotacions relatives de la informació d’eines.

(e) Es requerirà una capacitat experimental per al canvi de puntes múltiples per als primers sistemes de demostració de DMS. Els sistemes DMS de tipus «molí» de generació posterior podrien emprar peces i eines fixades a un sistema de transport en moviment que les transporta al llarg de trajectòries predeterminades durant les quals es descarreguen i després es recarreguen, en una seqüència repetitiva.

(f) Necessiten mètodes per garantir un control precís de la química i l’estructura de l’eina de manera que siguin possibles reaccions específiques amb un alt grau de fiabilitat.

(3) Fabricació experimental de puntes DMS

(a) Necessites propostes (i crítiques a les propostes) que descriguin com construir suggeriments mecanosintètics amb estructures de mànec adequades, utilitzant tècniques que són accessibles experimentalment avui dia. (Els sistemes de generació posterior poden emprar informació sobre eines per fer-les, un procés molt més ràpid i eficient.)

(b) Necessiten mètodes per caracteritzar els tooltips, un cop fabricats, sense destruir-los ni inactivar-los. Això serà especialment important en les primeres etapes de l’experimentació amb DMS quan la nostra experiència amb (i comprensió) d’aquests sistemes estigui al seu nivell més baix.

(4) Antecedents experimentals per a DMS

(a) A l’àrea experimental, cerquem experimentalistes disposats i capaços de dur a terme demostracions de laboratori de (1) DMS simple o (2) capacitats específiques necessàries per dur a terme operacions mecanosintètiques més sofisticades.

(b) Necessiteu una revisió de la literatura experimental i qualsevol treball experimental addicional necessari per caracteritzar completament el comportament de les superfícies de diamants C (111), C (110) i C (100) en diverses condicions que es poden trobar durant el DMS .

(c) Necessita una anàlisi de la utilitat de les proves condicionals dels estats intermedis de la peça durant la fabricació de DMS i dels mètodes més adequats per fer-ho. El registre d’informació d’eina/peça de treball, combinat amb mesures de retroalimentació de posició i de força durant un pas de reacció DMS , és suficient per garantir operacions DMS fiables, o són necessàries les proves condicionals i la caracterització del lloc de reacció de la peça entre cada pas per aconseguir una fiabilitat DMS acceptable ? Es creu que les proves d’estats intermedis de la peça poden ser essencials en les primeres etapes de l’experimentació amb DMS. A mesura que l’experiència amb aquests sistemes creix i s’acumula el coneixement sobre el rang normal de respostes durant les interaccions entre eines i peça, és possible que es puguin eliminar en gran mesura les proves pas a pas, substituint les proves del producte final i la comprovació puntual amb finalitats de control de qualitat. . L’eliminació de les proves pas a pas és probablement clau per a la paral·lelització massiva i l’escala dels sistemes de fabricació basats en DMS, especialment sistemes de tipus molí.

(5) Prova de principi experimental i punts de referència primerencs de demostració de DMS

(a) Necessiteu una demostració experimental de l’abstracció H purament mecanosintètica (és a dir, només forces mecàniques, sense camps elèctrics implicats), preferiblement sobre una superfície de diamant.

(b) Necessiteu una demostració experimental de la donació d’H purament mecanosintètica , preferiblement sobre una superfície de diamant.

(c) Necessiteu una demostració experimental de la col·locació d’un dímer C₂ purament mecanosintètic (o un altre fragment d’hidrocarburs simple), preferiblement sobre una superfície de diamant.

(d) Necessiteu una demostració experimental d’una seqüència purament mecanosintètica de dues o més reaccions DMS al mateix lloc reactiu de la mateixa peça de treball o prop del mateix; per exemple, dues abstraccions H adjacents sobre una superfície de diamant o una col·locació de dímers C ₂ a C ( 110) seguida de la donació de H al dímer C ₂ col·locat anteriorment.

(e) Necessita una demostració experimental de la capacitat de realitzar una seqüència repetible d’ operacions DMS sobre una superfície de diamant, donant lloc a la fabricació verificable d’una nova estructura de diamant en aquesta superfície.

(f) Necessita una demostració experimental d’una fabricació purament mecanosintètica d’una nanoestructura diamantoide 3D significativa.

(g) Necessiteu una demostració experimental d’una fabricació purament mecanosintètica d’una closca tensada en 3D estructura diamantoide.

(6) Paral·lelització DMS

(a) Necessiteu una demostració experimental de la capacitat de passivar o despassivar H , superfícies de diamant en múltiples llocs simultanis mitjançant matrius d’informació d’eines paral·lelisades.

(b) Necessiten assaigs experimentals d’altres tipus d’ operacions mecanosintètiques que demostrin almenys el potencial de paral·lelització massiva dels consells d’eines de DMS.

(7) Disponibilitat de nanoparts naturals per a proves i fabricació

(a) Seria útil tenir una biblioteca completa d’ estructures d’adamantà naturals , catalogades segons la mida, l’estructura geomètrica, el nombre d’àtoms, l’enllaç/connectivitat, la disponibilitat després de l’extracció del petroli natural, etc. Això ens diria quines «parts» naturals podrien estar disponibles en grans quantitats per a un processament posterior en nanoestructures més complexes, com ara coixinets, engranatges i similars, o per provar el rendiment dels sistemes de manipulació experimental en fase inicial.

(b) La possibilitat de construir un diamant S’han d’investigar les nanoparts que comencen amb primitives de blocs de construcció d’adamantà. Si fos possible, això podria reduir part de la necessitat d’ utilitzar DMS de precisió en la fabricació dels marcs bàsics de gàbia de diamants . nanoparts. El DMS de precisió encara seria necessari per a l’addició o modificació de les característiques essencials de la superfície de la nanopart i per a la unió covalent de primitives adamantà en agregats més grans durant el diamantoide procés de fabricació de nanoparts.