Original:http://www.molecularassembler.com/Nanofactory/Challenges.htm

нанофабрика
сотрудничество



Оставшиеся технические трудности для преодоления
Позиционное алмазное молекулярное производство
и алмазные нанофабрики

Версия 1.3

Существует множество технических проблем, которые необходимо преодолеть, чтобы продемонстрировать осуществимость молекулярно-молекулярного производства алмазоидов , молекулярных машинных систем, наномасштабных робототехники и нанофакторов. Основной научный случай для осуществимости был впервые выдвинут К. Эриком Дрекслером в его историческом инженерном учебнике « Наносистемы» (1992) . Основываясь на работе Дрекслера, Фрейтас аргументировал техническую осуществимость медицинских нанороботов в своей серии технических книг Nanomedicine Vol. I (1999) и Nanomedicine Vol. IIA (2003) , а Freitas и Merkle изучили современное состояние в области молекулярного производства в своей технической книге « Кинематические авторепликационные машины» (2004) .

Благодаря концепции и потенциальной полезности молекулярных машинных систем, хорошо зарекомендовавших эту предварительную работу, техническое сообщество теперь начинает серьезно изучать эти предложения более подробно, чтобы оценить их выполнимость. Конструктивный скептицизм технического сообщества является желательным и важным для успеха Nanofactory Collaboration . Только интенсивно сосредотачиваясь на бесчисленных деталях реализации, можно достичь более полного понимания проблем и ограничений молекулярных машинных систем.

С 2001 года мы составляем растущий список технических проблем для внедрения молекулярно-молекулярных машин с алмазоидами. Этот список, который длительный, но почти наверняка неполный, параллелен и включает в себя письменные проблемы, выраженные в продуманных комментариях Филиппа Мориарти в 2005 году и Ричарда Джонса в 2006 году. Мы приветствуем эти критические замечания и будем поощрять дальнейшие конструктивные комментарии - и предложения по дополнительным техническим проблемам, которые мы, возможно, упустили из виду - по аналогии с другими.

Наш список представляет собой долгосрочную стратегию исследований, которая служит прямым ответом на недавний (2006) призыв Комитета по обзору NMAB / NRC в их проводимом Конгрессом обзоре NNI для сторонников « специфической для сайта химии для больших - масштабируемое производство " : (1) определить желательные направления исследований, которые еще не проводятся сообществом биохимии; (2) определить и сосредоточиться на некоторых основных экспериментальных шагах, которые имеют решающее значение для достижения долгосрочных целей; и (3) наметить некоторые « доказательственные принципы » исследований, которые в случае успеха предоставили бы знания или технические демонстрации ключевых принципов или компонентов, имеющих непосредственную ценность.

Мы хотели бы предложить заинтересованным исследователям присоединиться к Nanofactory Collaboration, чтобы помочь нам окончательно решить каждую из оставшихся технических проблем, выполнив необходимые теоретические, а в некоторых случаях и экспериментальные исследования.

Наш текущий список технических проблем организован в четыре категории технических возможностей, которые, по нашему мнению, необходимы для успешного достижения молекулярного производства позиционного алмазоидов , что позволяет нанофабрикату развиваться. Этот список в настоящее время наиболее обширен в области механосинтеза алмазов (DMS), поскольку DMS является основным направлением наших ранних усилий, ведущих к внедрению нанофабрикатов.

(I) Технические проблемы для механосинтеза алмазов


(A) ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ


(1) Разработка и моделирование всплывающих подсказок DMS

          (a) Необходимо вычислительное моделирование новых механосинтетических всплывающих подсказок

          (b) Нужно вычислительное моделирование структур рукоятки всплывающих подсказок, имеющих высокие пропорции, которые позволят близко приблизить участки реакции заготовки и (возможно, несколько) всплывающих подсказок рядом с местом реакции.


(2) Проектирование и моделирование взаимодействия всплывающих подсказок

          (a) Нужно моделирование взаимодействия всплывающих подсказок с алмазными поверхностями (рекомендуется VASP или аналогичное программное обеспечение).

          (b) Необходимость анализа оптимальных траекторий захода на посадку инструмента, оптимальных относительных позиционных конфигураций инструментов и заготовки, а также отображение огибающих работы всплывающей подсказки по сравнению с экспериментально контролируемыми параметрами, такими как вращательное состояние всплывающей подсказки, углы заготовки-заготовки и расстояния заготовки.

          (c) Необходимы аналитические и статистические оценки того, является ли базовая механохимия DMS достаточно надежной для продолжения без проверки ошибок.

          (d) Необходима всесторонняя перепись и оценка всех патологических состояний, которые заготовка может принять во время реакции DMS . Этот анализ должен включать в себя реакционную эндо- / экзоэргичность относительно желаемого состояния, барьеры для патологических состояний и патологические промежуточные / переходные состояния, которые заготовка может принимать во время реакции DMS или после завершения реакции DMS . Плотность дефектов заготовки должна контролироваться и устраняться.


(3) Разработка и моделирование взаимодействия инструментов

          (a) Необходимы исследования возможных стерических перегрузок среди проксимальных всплывающих подсказок. Многие группы, которые работают на двухзондовых сканирующих зондовых системах, столкнулись с фундаментальными ограничениями на то, как близко друг к другу могут быть установлены два зонда из-за конечного радиуса кривизны существующих зондов сканирующего зонда. Таким образом, режимы DMS- сбоев могут включать стерическое препятствие для желаемых реакций, возможную атомную реконструкцию структур рукоятки всплывающих подсказок, которые слишком тесно связаны друг с другом, и механическое повреждение из-за столкновения с наконечником. Идеальная комбинация всплывающих подсказок и ручек будет иметь высокое соотношение сторон, чтобы обеспечить максимальную близость всплывающих подсказок. Границы рабочих оболочек тесно связанных всплывающих подсказок должны быть количественно определены как теоретически, так и экспериментально.


(4) Моделирование механосинтетических взаимодействий в реалистичной вакуумной среде

          (a) Нужны симуляции и исследования, исследующие всплывающие подсказки с открытыми радикальными сайтами, которые помещаются в реалистичные экспериментальные вакуумные среды. Нужна оценка риска отравления радикальным сайтом из-за рассеянных загрязнений и оценки ожидаемого срока службы этих открытых радикальных сайтов в таких условиях вакуума. Какой уровень вакуума является минимумом, необходимым для адекватного времени жизни всплывающих подсказок, чтобы обеспечить приемлемые процессы DMS ? Являются ли некоторые возможные загрязнители хуже других?

          (b) Нужны симуляции и исследования, исследующие заготовки и поверхности алмазоидов с открытыми радикальными сайтами, которые помещаются в реалистичные экспериментальные вакуумные среды. Нужна оценка риска отравления радикальным сайтом из-за рассеянных загрязнений и оценки ожидаемого срока службы этих открытых радикальных сайтов в таких условиях вакуума. Какой уровень вакуума является минимальным, необходимым для адекватного времени жизни детали или алмазоидной поверхности, чтобы обеспечить возможные процессы DMS ? Являются ли некоторые возможные загрязнители хуже других?

          (c) Требуется обзор существующих вакуумных систем и наличие ультравысокого вакуума. Также необходима оценка вероятного увеличения риска загрязнения рабочего пространства из источников, отличных от всплывающих подсказок и заготовок, в частности дегазации (десорбции) загрязняющих молекул с поверхностей, ручек всплывающих подсказок, уплотнений или других механизмов, которые могут присутствовать внутри объема рабочей области.


(5) Разработка и моделирование целых реакционных последовательностей DMS

          (a) Нужна разработка и моделирование реакционных последовательностей DMS , которые сводят к минимуму восстановление заготовки, всплывающей подсказки и промежуточной структуры и которые обеспечивают адекватную пассивацию промежуточных структур заготовки.

          (b) Необходимо разработать и смоделировать процедуры пополнения всплывающих подсказок для выгруженных всплывающих подсказок.

          c) требуется краткое определение «минимального набора инструментов» и минимального набора реакций для базовых DMS , включая конкретные последовательности реакции алмазообразования, которые необходимы и достаточны для создания простых алмазных структур (например, Merkle (1997) , Freitas (2007) ) ).

          (d) Расширение и разработка «минимальных наборов инструментов», достаточных для достижения расширенной DMS , включая позиционно контролируемое изготовление вогнутых, криволинейных и деформированных алмазоидных структур.


(6) Разработка и моделирование процедур DMS за пределами углеводородов

          (a) DMS должен быть расширен до атомов, отличных от C и H, в идеале обеспечивая комбинацию плотности связи, близкой к нулю, а также высоких диффузионных барьеров и направленных ковалентных связей.


(7) Перестановка и восстановление поверхностей заготовки

          а) Являются ли небольшие алмазоидные структуры, обычно предусмотренные для наномеханических частей (и их промежуточных структур во время и после каждой реакции DMS в процессе изготовления) структурно стабильными или они перестраиваются? Недавние исследования по «наноалмазовым» перестановкам будут поучительными и должны быть всесторонне рассмотрены вместе с литературой, описывающей эффекты H пассивации / дезактивации и температуры на характер и частоту поверхностных реконструкций.

          (б) Если эти небольшие алмазоидные структуры перестраиваются, является ли перестановка регулярной и надежной или случайной и многоструктурной? Можно ли изменить порядок перегруппировки, например, путем повторной передачи восстановленной поверхности, как с поверхностью алмаза C (111)? Можно ли игнорировать перегруппировку, как в случае рукоятки всплывающей подсказки, которая после того, как она была изготовлена ​​(то есть, таким образом, чтобы не влиять на надежность химического состава с позиционированием, который имеет место на кончике, который изменяется по известной, но относительно безвредной )?

          (c) Необходимо провести обзор литературы и дополнительные теоретические исследования о склонности поверхности алмазоидов к графитизации и условиям, при которых может произойти эта структурная патология.

          (d) Необходимо провести обзор литературы и дополнительные теоретические исследования относительно склонности и скорости миграции видов на трех основных поверхностях алмаза, включая также миграции вдоль уступов и угловых структур вокруг отверстий и по выпуклым и вогнутым областям в качестве функции типа видов и температуры системы. Эти исследования должны включать анализ и количественную оценку любых барьеров для диффузии поверхности и миграции.

          (e) Необходимо изучить степень, в которой фотовозбуждение приводит к неправильной реакции и перегруппировке этих структур (и их промежуточных продуктов во время изготовления).

          (f) Необходимо изучить степень, в которой присутствие и геометрическое распределение напряженных связей и степень деформации влияют на восстановление малых наноструктур алмазоидов и их промежуточных структур.

          (g) Для определения структурной и химической стабильности целевых частей алмазоидных машин необходимы правильные расчеты квантовой химии (например, ab initio , Density Functional Theory), обеспечивающие стабильную структуру в равновесии (структура с общей низкой свободной энергией). Молекулярная механика моделирования не может точно определить это.

          (h) Моделирование молекулярной динамики, использующее квантовую химию (например, AIMD), необходимо для исследования кинетической стабильности метастабильных структур. Метастабильные структуры представляют собой структуры, которые не находятся в равновесии, но имеют достаточно низкую вероятность превращения в (нежелательное) более стабильное состояние, что они все еще могут быть полезны для практических целей наноинженерии. Оценка полезности метастабильных структур требует расчета энергетического барьера, препятствующего реконструкции, и обеспечения того, чтобы энергия, доступная в системе (как тепловая, механическая, так и другая), была недостаточной для продвижения метастабильной системы над этим барьером.

          (i) Реконструировать только очень малое подмножество неразрешенных поверхностей. Нужен обзор всех поверхностей (как пассивированных, так и неактивированных), которые, как известно, не восстанавливаются. Это обеспечит ранний целевой список для экспериментальных попыток DMS . Наиболее известным примером невосстановительной поверхности является поверхность алмаза C (110). Последующий более широкий обзор общего явления поверхностной реконструкции поможет определить приоритетность вторичного целевого списка для будущих экспериментов по механосинтезу. Для этого более широкого исследования должен быть аналитический акцент на жесткой ковалентной керамике и связанных с ней твердых телах и на нанокластерах размером менее 10 нм, которые наиболее непосредственно аналогичны предложенным механическим нанорам, таким как шестерни и подшипники, которые могут содержать до 10 4 атомов каждый ,

          (j) Необходимо провести окончательное исследование, чтобы определить, будет ли чистая (неаудированная) поверхность C (111) самопроизвольно восстанавливаться при комнатной температуре или ниже комнатной и определять ниже, какой температурный порог, если таковой имеется, не будет восстанавливаться.

          (k) Необходимо количественно оценить влияние на надежность DMS и повторяемость явлений релаксации поверхности, в отличие от феноменов поверхностной реконструкции, например, как описано Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff et al (1994), Venables (2000) ), и Лут (2001). Эффекты релаксации могут быть значительными во многих алмазоидных материалах, особенно в случае сапфира (оксид алюминия, Al 2 O 3 ), где релаксация поверхностных ионов кислорода может достигать ~ 50% от расстояния между слоями на гексагональной (0001) поверхности.


(8) Проектирование и моделирование систем представления молекулярного сырья для DMS

          (a) Необходимо разработать и смоделировать представление молекул исходного сырья, привязанных к неподвижным поверхностям, для легкого захвата с помощью средств механосинтетического осаждения, а также диапазона движений и процедур для получения молекул исходного сырья на позиционно управляемую всплывающую подсказку с поверхности представления молекулы исходного материала ,

          (b) В качестве альтернативы следует исследовать связывание, транспортировку через барьерные поверхности и позиционирование первоначально свободно удерживаемых жидких или газообразных исходных молекул (например, ацетилена или C 2 H 2 ) с целью создания сайтов связывания, основанных главным образом на молекулярных (формы), которые могут быть гибко разработаны для использования в молекулярных производственных системах.


(B) ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ


(1) Общая конструкция и конструкция высокоточных нанополяционных систем UHV

          (a) Наиболее срочно необходимыми новыми экспериментальными возможностями являются разработка малошумящей системы позиционирования SPM с высокой повторяемостью по суб-ангстрему (0,2-0,5 Å) с позиционированием по сравнению с одномикронными траекториями в обратном направлении в сочетании с суб-нанометровым прецизионная система координат, охватывающая не менее десятков микрон.

          (b) Нужна система позиционирования, которая минимизирует гистерезис и люфт, или который, как минимум, выполняет достаточно повторяемо, чтобы гарантировать точность размещения всплывающей подсказки до 0,2-0,5 ангстрем.

          (c) Расширение многонаправленных нанополярных систем, увеличение степени свободы, возможной для позиционирования одной молекулы (например, с вращением и наклоном заготовки, доступным во время событий манипуляции) в ранних системах, и, возможно, включение в более поздние системы закрытого типа, петлевое управление системой AFM с двойным концом с не менее чем 5 степенями свободы на всплывающую подсказку (6 DOF на наконечник лучше было бы обеспечить, чтобы мы могли точно выровнять всплывающие подсказки).

          (d) Должны быть предусмотрены среды ультрачеловеческого УВЧ, имеющие минимальное загрязнение. Типичный вакуум UHV ~ 10 -9 торр дал бы экспериментатору в среднем ~ 1000 секунд, прежде чем отравление открытого участка радикала могло произойти из-за соударения рассеянных загрязняющих атомов, ионов и молекул. Возможность работы внутри небольших томов поможет. Например, вакуум 1 нанотор в закрытом корпусе размером 10 000 кубических микрон содержит, в среднем, гораздо меньше одной молекулы-загр знени, обычно создающей, по сути, идеальный вакуум.

          (e) Необходимо изучить компьютерное управление траекториями, вращениями и позиционированием с конечной целью полной автоматизации процесса DMS, чтобы наноструктуры могли быть изготовлены в соответствии с конкретным планом.


(2) Проблемы, характерные для систем нанопоставления DMS

          (a) Нужны новые методы позиционной регистрации и выравнивания всплывающей подсказки относительно целевого участка реакции на заготовке. Даже очень небольшое несоответствие в выравнивании всплывающей подсказки приведет к образованию нежелательных связей. В случае наконечника с несколькими наконечниками каждый инструмент должен иметь возможность точного выравнивания и позиционирования над соответствующим участком реакции.

          (b) Требуется повторная позиционная регистрация и выравнивание новой или возвращаемой измененной всплывающей подсказки относительно места заготовки, ранее посещенного всплывающей подсказкой, с достаточной точностью для обеспечения DMS с низкой ошибкой.

          (c) Требуется повторная поворот всплывающей подсказки и наклон новой или возвращаемой всплывающей подсказки относительно реактивной площадки заготовки с достаточной точностью, чтобы позволить DMS с низкой ошибкой. Предполагается, что небольшие изменения в наклоне всплывающей подсказки изменят экзоэричность реакции, барьеры реакции и надежность реакции.

          (d) Необходимо разработать методы позиционной регистрации проксимитированных множественных подсказок. Как найти один инструмент по отношению к другому, чтобы выполнить шаг механосинтеза, требующий скоординированного действия двух или более подсказок? Эта проблема касается как относительных позиций всплывающей подсказки, так и относительных поворотов всплывающей подсказки.

          (e) Для ранних демонстрационных систем DMS потребуются экспериментальные возможности для многоуровневого изменения. Системы DMS более позднего поколения «мельницы» могут использовать заготовки и инструменты, прикрепленные к движущейся транспортной системе, которая передает их вдоль заранее определенных траекторий, в течение которых они выгружаются, а затем перезаряжаются в повторяющейся последовательности.

          (f) Необходимые методы для обеспечения точного контроля за химией и структурой всплывающей подсказки, чтобы можно было обеспечить конкретные реакции с высокой степенью надежности.


(3) Экспериментальное изготовление наконечников DMS

          (a) Нужны предложениякритические предложения), описывающие, как создавать механосинтетические всплывающие подсказки с соответствующими структурами ручек, используя методы, которые сегодня доступны экспериментально. (Системы более позднего поколения могут использовать всплывающие подсказки для создания всплывающих подсказок, гораздо более быстрый и эффективный процесс).

          (b) Необходимые методы для характеристики всплывающих подсказок, как только они были сфабрикованы, без их уничтожения или инактивации. Это будет особенно важно на ранних этапах экспериментов DMS, когда наш опыт работы с такими системами (и их понимание) находится на самом низком уровне.


(4) Экспериментальный фон для DMS

          (a) В экспериментальной области мы ищем экспериментаторов, желающих и способных провести лабораторные демонстрации (1) простых DMS или (2) конкретных необходимых возможностей, необходимых для проведения более сложных механосинтетических операций.

          (b) Необходимо провести обзор экспериментальной литературы и любой необходимой дополнительной экспериментальной работы, чтобы полностью охарактеризовать поведение алмазных поверхностей C (111), C (110) и C (100) при различных условиях, которые могут встречаться во время DMS .

          (c) Необходимо проанализировать полезность условного тестирования промежуточных состояний заготовки при изготовлении DMS и наиболее подходящих методов для этого. Является ли регистрация всплывающей подсказки / заготовки в сочетании с позиционными и силовыми измерениями обратной связи во время этапа реакции DMS , достаточным для обеспечения надежных операций DMS , или является условным тестированием и характеристикой сайта реакции на заготовку между каждым шагом, необходимым для достижения приемлемой надежности DMS ? Считается, что тестирование промежуточных состояний заготовки может быть существенным на ранних стадиях эксперимента DMS . По мере роста опыта с этими системами и накопления знаний о нормальном диапазоне ответов при взаимодействии заготовки-заготовки может быть возможным в значительной степени устранить поэтапное тестирование, заменяя тестирование конечных продуктов и проверку пятен для целей контроля качества , Исключение пошагового тестирования, вероятно, является ключевым для массового распараллеливания и расширения систем производства на основе DMS , особенно систем мельничного типа.


(5) Экспериментальные доказательства и ранние демонстрационные тесты DMS

          (a) Нужна экспериментальная демонстрация чисто механосинтетических (т. е. только механических сил, не задействованных электрических полей) H абстракции, предпочтительно на поверхности алмаза.

          (b) Нужна экспериментальная демонстрация чисто механосинтетического донора Н, предпочтительно на поверхности алмаза.

          c) требуется экспериментальная демонстрация чисто механосинтетического димера C 2 (или другого простого углеводородного фрагмента), предпочтительно на поверхности алмаза.

          (d) Нужна экспериментальная демонстрация чисто механосинтетической последовательности двух или более реакций DMS на одном и том же реакционноспособном участке на одной и той же заготовке или около того, например, две смежные абстракции H на поверхности алмаза или размещение димера C 2 на C ( 110), а затем пожертвование H на ранее размещенный димер C 2 .

          (e) Требуется экспериментальная демонстрация способности выполнять повторяемую последовательность операций DMS на поверхности алмаза, что приводит к проверяемому изготовлению новой алмазоидной структуры на этой поверхности.

          (f) Требуется экспериментальная демонстрация чисто механосинтетического изготовления значительной трехмерной алмазоидной наноструктуры.

          (g) Нужна экспериментальная демонстрация чисто механосинтетического производства трехмерной структуры алмазоидов с напряженной оболочкой.


(6) Распараллеливание DMS

          (a) Необходима экспериментальная демонстрация способности H-пассивировать или H-деассировать поверхности алмаза на одновременных множественных сайтах с помощью параллельных массивов всплывающих подсказок.

          (b) Нужны экспериментальные испытания других видов механосинтетических операций, демонстрирующие, по крайней мере, потенциал для массивного распараллеливания всплывающих подсказок DMS .


(7) Наличие естественных наночастиц для тестирования и изготовления

          (а) Было бы полезно иметь полную библиотеку встречающихся в природе адамантановых структур, каталогизированных по размеру, геометрической структуре, количеству атомов, связыванию / связности, доступности после извлечения из натуральной нефти и т. д. Это скажет нам, какие естественные «части» могут быть легко доступны в больших количествах для дальнейшей переработки в более сложные наноструктуры, такие как подшипники, зубчатые колеса и т. П., Или для проверки характеристик ранних экспериментальных манипуляционных систем.

          (b) Следует исследовать возможность построения наночастиц алмазоидов, начиная с примитивов адамантанового строительного блока. Если это окажется возможным, это может уменьшить некоторую потребность в точной DMS, которая будет использоваться при изготовлении базовых каркасов каркаса алмазоидных наночастиц. Прецизионная DMS все еще потребуется для добавления или модификации основных свойств поверхности наночастиц и для ковалентного соединения адамантановых примитивов в более крупные агрегаты во время процесса изготовления наночастиц алмазоидов.

(II) Технические проблемы для программируемой позиционной сборки


(A) ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ


(1) Конструкция захвата Nanopart

          (a) Должны быть спроектированы контролируемые по посадке захваты , которые могут захватывать и затем обрабатывать готовые наночастицы, переносить их в другое место или для дальнейшего управления ими в серии этапов сборки, таких как операция вставки деталей (штифт, вдвинутый в дополнительное отверстие) или другой аналогичной операции сборки, в которой мелкие детали механически объединяются для получения более крупных наночастиц соединения, которые включают ван-дер-ваальсово склеивание. Обработанные инструменты, предназначенные для использования с целью создания составных наномашин из их составных частей, могут существенно отличаться по сравнению с обработанными инструментами, предназначенными для механосинтеза. Например, механосинтетические всплывающие подсказки обычно имеют почти исключительно ковалентно-связывающую реакционную способность, тогда как в монтажных вскрытиях могут использоваться, прежде всего, ван-дер-ваальс или другие слабые связующие системы для захвата деталей, хотя слабая ковалентная связь (например, дательные связи, связи Sn-C, и т. д.).

          (b) Необходимы методы крепления захвата к системе точного позиционирования при сохранении жесткости и способности приводить в действие захват.

          (c) Требуется возможность обмена одним механизмом захвата для другого на наконечнике SPM. Это подразумевает необходимость разработки конструкций складов для удобного временного хранения и поиска неиспользуемых механизмов захвата.


(2) Конструкция привода манипулятора нанопорта

          (a) Нужны конструкции для наномасштабных и молекулярных приводов. Эти конструкции должны создаваться при рассмотрении необходимости будущей крупномасштабной интеграции исполнительных механизмов в наномасштабные механизмы и должны включать рассмотрение возможных будущих многоприводных систем.


(3) Проектирование и моделирование систем презентаций на основе нанопортов

          (a) Необходимо спроектировать и смоделировать представление наночастиц, привязанных к неподвижным поверхностям, для легкого захвата с помощью монтажных инструментов, а также диапазона движений и процедур для получения наночастиц на позиционно управляемом монтажном инструменте с поверхности отображения нанопарта.

          (b) В качестве альтернативы, следует исследовать связывание, транспортировку через барьерные поверхности и позиционирование первоначально позиционно неограниченных наночастиц, плавающих в жидкой или газообразной среде-носителе, с целью разработки сайтов связывания наночастиц, которые могут быть гибко сконструированы для использования в молекулярных производственные системы.


(4) Проектирование и моделирование поверхностей выпуска заготовки

          (a) Нужно проанализировать, как строить наночастицы и / или их промежуточные структуры на причалах или съемных поверхностях, а затем подбирать их.


(5) Проектирование и моделирование последовательностей сборки наночастиц

          (a) Необходимо разработать последовательности этапов сборки, необходимые для сборки определенного набора деталей в конкретный собранный объект, в плане плана. Это включает в себя движения, связанные с приобретением деталей и укладкой готового продукта в депо.


(6) Атомные перестройки в соседних наночастицах

          (a) Необходимо провести анализ квантовой химической и молекулярной динамики возможных реконструкций (и химической стабильности) движущихся наночастиц, которые находятся в тесном контакте с другими движущимися наночастицами во время сборочных операций.


(B) ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ


(1) Разработка технологии SPM для обеспечения возможности сборки нанопластов

          (a) Необходимы обратимые захваты нанопатов в качестве конечных эффектов на наконечниках SPM. Захваты должны быть способны к дистанционному и / или условному срабатыванию.

          (b) Системы SPM, которые будут использоваться для сборочных работ, могут потребовать меньшую точность позиционирования, но способность применять большие силы и в более сложных направлениях (например, скручивающие движения, которые применяют круговые или винтовые крутящие моменты, перемещение резьбы / вставки и т. д.), , Изготовление атомарно точного продукта из наноначников нанометрового масштаба не требует атомной точности в позиционировании нанопатов, но только достаточная позиционная точность для отличия желаемой структуры сборки от смежных структур патологической сборки.

          (c) Необходимо разработать метод активации, который можно легко контролировать параллельно и потенциально масштабировать.


(2) Изготовление и испытание поверхностей выпуска заготовки

          (a) Необходимые детали, предназначенные для легкого захвата и манипуляции.

          (b) Необходимы эффективные схемы представления частей.

          (c) Рассмотреть возможность контролируемого сцепления деталей во время монтажа с позиционированием.

          (d) Рассмотреть возможность нанопартийной паллетизации.

          (e) Рассмотреть возможность создания наночастиц на основе DMS на расходуемой поверхности, освобождающей наночастицы в жидкость-носитель.


(3) Экспериментальные доказательства и принцип раннего позиционного демонстрационного тестирования

          (a) Нужна экспериментальная демонстрация способности точно находить и извлекать входные наночастицы с поверхности презентации деталей или склада деталей.

          (б) Необходима экспериментальная демонстрация чисто механического соединения двух или более наночастиц в более сложный объект продукта.

          (c) Требуется экспериментальная демонстрация способности стабильно размещать готовые собранные объекты продукта на поверхности хранения продукта или на складе продукта в известном месте и ориентации.

          (d) Нужна экспериментальная демонстрация чисто механосинтетической операции вставки и / или резьбы.

          (e) Требуется экспериментальная демонстрация способности приобретать два объекта продукта и объединить их вместе, чтобы сформировать более сложный объект продукта.

(III) Технические проблемы для многопараллельной позиционной сборки


(1) Массовая распараллеливание всплывающих подсказок и систем DMS

          (a) Анализ потребности и предложения для распараллеливания DMS . Цель создания механосинтеза должна логически предшествовать (в качестве исследовательской цели) цели - сделать механикосинтез массово распараллеленным.

          (b) Необходимость анализа и предложений о том, как создавать высокоточные манипуляторы с высокой повторяемостью и стабильностью, возможно с несколькими DOF на кончике, которые могут быть расположены в массивах с параллельными массивами для обеспечения возможности параллельной обработки DMS обрабатываемых деталей. Они могут служить основными компонентами высокопроизводительных производственных систем. Такие массивы не являются современными SPM, но могут быть технологическими потомками современных SPM.

          (c) Нужно провести проектный анализ полезности и требований для включения различных уровней избыточности в массивные параллельные производственные системы.

          (d) Следует продемонстрировать, что системы нижнего уровня, используемые в сборочных работах DMS или на основе наночастиц, могут быть масштабируемы для более крупных систем или перепроектированы для обеспечения такой масштабируемости.


(2) Массовая распараллеливание захватов наночастиц и связанных с ними систем

          (a) Необходимо разработать системы управления для параллельных параллельных сборочных сборок с несколькими рабочими станциями. Это включает в себя внедрение позиционно управляемых систем приведения в действие.

          (b) Нужно проанализировать надежность и частоту ошибок в системах сборки больших деталей. Было бы полезно изучение отказоустойчивого дизайна для массивно-параллельных производственных систем.


(3) Программное обеспечение для моделирования для параллельных производственных систем

          (a) Необходимое программное обеспечение, способное многоуровневое интегрированное моделирование основных подсистем и систем нанофакторов.

          (b) Требуется программное обеспечение для планирования рабочего процесса для массово параллельных сборочных систем.

(IV) Технические проблемы для наномеханического проектирования


(1) Создание библиотек нанопартов

          (a) Необходимо создать библиотеки нанопартий, каталогизированные в форматах CAD-использования.

          (б) Нанопарты и наноассембли должны использовать философию «дизайн для сборки» и «дизайн для анализа и валидации».

          (c) Необходимость анализа структур, полученных в предыдущих анализах (см. выше), чтобы определить, сколько различных поверхностей наночастиц и материалов может потребоваться, чтобы составить полный набор структурных и функциональных компонентов низкого уровня, достаточных для молекулярного производства.


(2) Моделирование наночастиц, наномашин и наномашин

          (a) Необходимо программное обеспечение, которое может надежно моделировать и моделировать кинематическую работу деталей алмазоидных машин.

          (b) Необходимо разработать систему CAD / моделирования, способную выполнять моделирование молекулярной динамики многочисленных взаимодействующих частей и точно прогнозировать надежность и физические характеристики их взаимодействий.

          (c) Нужен подробный дизайн для наномотора, с атомистическим моделированием, по крайней мере, ключевых компонентов. Необходимо указать материалы и проверить их химическую стойкость. Использование любого металла может вызвать серьезные проблемы с поверхностной стабильностью и может произойти сбой из-за адгезии контактирующих поверхностей, но вместо этого могут использоваться металлические графены, легированный алмаз или другие соответствующие жесткие ковалентные материалы. Изысканная точность позиционирования также может потребоваться из-за экспоненциальной зависимости туннельного тока от разделения.

          (d) Необходимо разработать детальный проект для молекулярно-селективного насоса с атомистическим моделированием, по меньшей мере, ключевых компонентов, особенно узлов связывания и механизмов привода. Одной из полезных целей может быть разработка молекулярного уровня селективного клапана или насосной системы на основе жестких материалов, которые допускают выбранную молекулу, исключая, скажем, кислород и воду с почти 100% -ной эффективностью.

          (д) Наносистемы Дрекслера излагают структуру для оценки влияния тепловых шумов, которая затем применяется к одной инженерной конструкции при вычислении позиционной неопределенности на кончике молекулярного позиционера. Это показывает, что позиционная неопределенность может быть меньше диаметра атома - необходимое, если возможно, недостаточное условие для работы таких устройств. Но нам также нужен более широкий спектр моделирования молекулярной динамики более сложных наномашин, работающих при жидком азоте и комнатных температурах, в которых как сам механизм, так и его крепления подвержены тепловым шумам.

          (f) Необходимо провести обзор нового органа недавних экспериментальных и симуляционных работ по нанотрибологии (наномасштабное трение), а затем оценить его последствия (если они есть) для работы наномасштабных механизмов. Например, экспериментально продемонстрирована сверхсладкость несоизмеримого графита и несоизмеримых поверхностей скольжения графена . Дальнейшее понимание масштабов проблемы и любых конкретных конструктивных ограничений, которые она может наложить, могут быть получены путем количественного молекулярно-динамического моделирования простых, управляемых наномеханических систем. Даже низкие значения трения могут скомпрометировать работу наномашин, создавая высокие уровни локального нагрева, что может уменьшить химическую стабильность таких устройств. Утечка энергии из режимов движения машин в случайные колебательные моды с высокой частотой, составляющие тепло, может возникать всякий раз, когда химические связи растягиваются за пределы диапазона, в котором они хорошо аппроксимируются гармоническим потенциалом (т. Е. Подчиняются закону Гука) хотя представляется возможным разработать системы, в которых требуемые моды и диссипативные моды достаточно развязаны, чтобы обеспечить эффективность на 99% +, намного превосходящую аналогичные макромасштабные системы.

          (g) Требуется обзор литературы, окончательное моделирование и оценка влияния диффузии водорода через поверхности алмазоида и объемного кристалла.

          h) требуется обзор литературы, окончательное моделирование и оценка влияния радиационного ущерба на надежность механических структур и операций алмазоидов.


(3) Нанообработанный дизайн

          (a) Необходимо комплексное моделирование нанонаучных операций. Обратите внимание, что килограмм готового продукта, если он изготовлен из чистого алмаза, будет содержать ~ 50 × 10 24 атома углерода, требуя ~ 50 × 10 24 операций DMS, предполагая ~ 1 операцию DMS на один атом углерода; и все же современный настольный компьютер безупречно выполняет ~ 10 24 транзисторных операций в день. Если отдельные операции DMS в зрелой производственной системе могут быть сделаны простыми и надежными, как примитивные транзисторные операции в современном электронном компьютерном чипе, то уровень сложности, присущий нанонаучным операциям, может рассматриваться как значительный, но немыслимый.

          (б) Необходимо исследовать и оценивать проектные пространства основных наноструктурных архитектур, хотя пространство, вероятно, слишком велико для всесторонней оценки. Хорошая наноструктурная конструкция должна быть системой, поддерживающей бутстрап, должна проявлять легкость перепрограммирования, должна обеспечивать максимальную геометрическую доступность обрабатываемых деталей во время изготовления, должна обладать максимальной надежностью во время работы, должна быть «безопасной» и демонстрировать неразрешимость, быть «способной к строительству», и должны обеспечивать чистое производство и экологически чистую эксплуатацию.

          (c) Необходимо исследовать возможные требования к макромасштабному эквивалентному контролю и мониторингу процессов в нанофакторах, включая датчики, конечные выключатели и т. п., составляющие сенсорные петли обратной связи, которые допускают условное срабатывание. Если последовательности изготовления DMS и последовательности сборки деталей могут быть разработаны для минимизации или устранения нежелательных реконструкций или других структурных патологий, то потребность в обычных встроенных датчиках значительно уменьшается (наряду с количеством возможных режимов отказа).

          (d) Необходимо исследовать конструкции для многократных избыточных производственных линий с количественной оценкой производительности и проектных компромиссов, включая количество параллельных производственных линий, среднее время до пробоя данной производственной линии, оптимальное количество альтернативных путей заготовки через нанофабрику , оптимальное количество и расположение шунтов производственного потока и т. д., чтобы определить надежность и эффективность всей производственной операции.


Письменное содержание этой страницы © 2006-17 Robert A. Freitas Jr. and Ralph C. Merkle

Изображение: Nanofactory - © John Burch, Lizard Fire Studios . Авторское право распространяется на все изображения. См. Также белорусский перевод , французский перевод и перевод на португальский язык .


Последнее изменение 6 ноября 2017 года

с 14 июня 2006 года