Mis on teemantmehhanosüntees?

Diamond mechanosynthesis (DMS), või molekuli asendi valmistamine, on kovalentsete keemiliste sidemete abil täpselt kohaldada mehaaniliste jõudude ehitada teemandistruktuuriga  struktuure. DMS võib automatiseeritud arvutis kontrolli, võimaldades programmeeritav molekulaarse positsiooniline valmistamist.

Atomaarselt täpne valmistamine hõlmab lähteainete aatomite või molekulide hoidmist ja kasvavat nanoskaala tooriku õigetesse suhtelistesse asenditesse ja suundumustesse, nii et nende puudutamisel ühendatakse nad soovitud viisil.

Selles protsessis tõmbatakse tooriku pinnale mehhaansünteetiline tööriist. Tööriista külge lisatakse või eemaldatakse üks või mitu üleviimisaatomit. Seejärel tööriist eemaldatakse ja täidetakse. Seda protsessi korratakse kuni tooriku (nt kasvav nanoosakeste) valmistamine täiesti täpselt õiges kohas molekulaarse täpsusega iga aatomi jaoks. Pidage meeles, et ülekande aatomid on kogu aeg positsioonikontrolli all*, et vältida soovimatuid kõrvalreaktsioone.

Ta esimese eksperimentaalse tutvustamise tõsi mechanosynthesis, millega kovalentsete sidemete abil puhtalt mehaaniline jõud räniaatomitega, ei süsinikuaatomit, teatas Oyabu ja kolleegidega 2003.  Esimene DMS patentanti USA 30. märtsil 2010  Robert A. Freitas Jr.

* Täpsemalt, see on käepideme struktuur, mis saab otseselt positsiooni kontrolli ja rakendatud jõud, mitte lisatud ülekande aatomeid. Kuid käepideme positsiooni piiramise kõrvalmõju on see, et tipu osa on ka teatud määral positsiooniliselt piiratud, palju parem kui, näiteks, vaba gaasi või lahuse faasi osake.

• Edusammud DMS (2004 loeng  poolt  Freitas)

• Märkustega tehnilise bibliograafia 

teadusuuringute  töö teemant mechanosynthesis

• Landmark minimaalne tööriistakomplekt

raamat DMS poolt  Freitas ja Merkle 2008

Lisaks kaardistamisele võib SPM muuta ka pinda, näiteks deponeerides üksikute aatomite ja molekulide soovitud mustriga. Ühes hästi avalikustatud asjas 1989. aastal korraldasid teadlased nikkelpinnal 35 ksenooniaatomit, et moodustada tähti, mis tuvastab nende tööandja “IBM”. Kuid see SPM-i manipuleerimine nõudis jahutamist kuni 4 kraadi võrra absoluutse nullini – vaevalt ideaalsed tingimused suuremahuliseks tootmiseks. SPM-idel on ka piisavalt veamäärasid, et nõuda suhteliselt keerukaid vigade tuvastamise ja korrigeerimise meetodeid. Kuigi need süsteemid võivad liikuda mõnede aatomite või molekulide ümber, ei saa nad valmistada suurtes kogustes sellist täpselt struktureeritud teemantt, mida võiks kasutada molekulaarse robot-käe ehitamiseks.

Tänane SPMs ka on liiga aeglane. Looduses bakterite ribosoomide võtta vähemalt 25 millisekundit lisada ühe aminohappe kasvava valgu alusel asendikontrolliks. Kui nanofactory tootmisliini või molekuli koostajale on toota koopia endale (või oma mass) umbes päevas, ja kui see nõuab umbes sada miljonit aatomi paigutamise käigus, siis iga sellise operatsiooni tuleb täita ~ 1 millisekund, mõnevõrra kiiremini töösagedus kui ribosoomi. Tänane SPMs seevastu võib kuluda kuni tund korraldada ühe aatomi või molekuli. Suuri edusamme SPM kiirust ja täpsust on vaja saavutada usaldusväärne teemant mechanosynthesis ja sellised ettemaksed selgesõnaline eksperimentaalse eesmärk  Nanofactory koostöö.

Selle nõuetekohase positsiooni säilitamiseks peab tööriisttip käepide ja muu tugistruktuur (ja toorik, millele DMS tööriist töötab) peab olema väga jäik. Materjali tugevus ja tihedus sõltub aatomite omavahelist sidemete arvust ja tugevusest ning aatomite massilisusest. Element, mis kõige paremini nende kriteeriumidega sobib, on süsinik, mis on nii kerge kui ka tugevamad sidemed kui teised elemendid. Süsinik-süsinik sideme on eriti tugev. Iga süsiniku aatom võib siduda neli naaber aatomit. Ja süsiniku aatomid võivad saada kõige rangema materjali: teemant. Teemant, tugeva sideme tihe võrgustik loob tugev, suhteliselt kerge ja väga jäik materjali.

Teemantmehhaanosünteesi töökeskkond eeldatakse sageli ülikõrgete vaakumina (UHV), kuigi DMS-i teostatakse kõrgmaalsete vedelike või muu keemiliselt inertse vedeliku keskkonnas, ei ole mõeldav.

Kasutades arvutil automatiseeritud kohtspikritele toimivad positsiooniliselt kontrollitud DMS aeganõudvas programmeeritud järjestused reaktsioonietappide võime olla valmistada lihtsate  teemandistruktuuriga  nanomechanical osad nagu laagrid, hammasrattad, toed, vedrud, teemant loogika latid (joonisel paremal) ja korpused kuni aatomi täpsusega. Kuigi on tõenäoline, et mõned põhilised  teemandistruktuuriga struktuurid võivad olla valmistatav kasutades ise koostevõtted tavapärastest sünteetilise keemia tundub ebatõenäoline, et multifeatured, väga pingelised või kompleksselt läbipõimunud struktuure saab valmistada ilma kasutades mingisugune asendikontrolliks.

Teemantmehhaanosünteesi tööriistad

Juba on võimalik sünteesida lahtiselt teemant täna. Protsessis mõnevõrra meenutab Värvipihustamise meil ehitada kihi teise järel teemant hoides pinnale pilvena reaktiivsed vesinikuaatomit ja süsivesiniku molekulid. Kui need molekulid põrkuvad vastu pinda nad muuta, kas lisades, eemaldades või teisendamisel aatomit. Kontrollides hoolikalt rõhk, temperatuur ja täpne koostis gaasi selles protsessis – mida nimetatakse  keemilise aurustamise-sadestamise  või CVD – saame luua tingimused, mis soodustavad kasvu teemant pinnal. Tüüpiline CVD reaktori häälestus on kujutatud paremal.

Kuid reaktiivsete molekulide pinna pommitamine juhuslikult pinnapanekuga ei võimalda kasvuprotsessi korralikult kontrollida ja sarnaneb pigem liivblasteriga käekellade loomisega. Selleks, et saavutada atomiseeritud täpne valmistamine, on esimene väljakutse tagada, et kõik keemilised reaktsioonid toimuksid täpselt kindlaksmääratud kohtades pinnal. Teine probleem on see, kuidas muuta teemantpind reageerivaks teatud kohtades, kus tahame lisada veel ühte aatomit või molekuli. Teemantpind on tavaliselt kaetud vesinikuaatomite kihiga (valged aatomid joonisel kujutatud teemant C (110) pinnale paremal). Ilma selle kihita oleks toormaterjali pind väga reageeriv, kuna see oleks täis ümmarguse süsinikuaatomite tasapinnaga kasutamata (või “riputatud”) sidemeid. Kuigi hüdrogeenimine takistab soovimatuid reaktsioone, muudab see ka kogu pinna inertseks, muutes keeruliseks süsiniku (või muu) lisamise.

Selle probleemi lahendamiseks saame kasutada komplekti molekulaarsuurusega tööriistu, mis kindlate sammude seeriates saaksid pinnast ette valmistada ja luua molekulil teemantide, aatomi ja molekuli abil süsivesinikstruktuure. Mehhaanosünteetilisel tööriistal on kaks põhikomponenti – keemiliselt aktiivne tippnupp ja keemiliselt inertsed käepidemed, mille abil on kohtspits kovalentselt seotud. Käepide struktuuri käsitsi töödeldakse, kasutades SPM-i või sarnast vahendit.

Vähemalt kolm põhilist mechanosynthetic tööriistad, mis on juba saanud märkimisväärseid teoreetilise (ja mõned katseline) uuring on vaja ehitada atomically täpne teemant kaudu asendikontrolliks:

(1)  Vesiniku eemaldamine tööriistad,

(2)  Carbon Asend Vahendid ja

(3)  Vesinik annetus tööriistad.

1 2 3

(1) Vesiniku abstraktsioonivahendid

Esimene samm selles protsessis mechanosynthetic valmistamise teemant võib olla eemaldamiseks vesinikuaatom igast kahe spetsiifilise külgneva laigud teemant pinna, jättes maha kaks reaktiivset rippuvad sidemetega. Seda võib teha, kasutades vesiniku eemaldamine tööriist – seisva teoreetilise molekulaarstruktuur millel on kõrge keemiline afiinsus vesinik ühes otsas küll aga mujal inertne.

Tööriista reageerimata piirkond on käepide või käepideme kinnituspunkt. Tööriista hoitakse molekulaarsuunalise seadme abil, esialgu ehk skaneeriva proovivõtturi mikroskoobi otsaga, kuid lõppkokkuvõttes molekulaarse robotsüdamiga, ning liigutatakse otse teatud vesinikuaatomite pinnale. Vesinikuprodukti tööriista sobivaks molekuliks on atsetüleeni radikaal – kaks süsinikuaatomit, mis on kolm korda omavahel ühendatud. Üks süsinik oleks käepidemeühendus ja see oleks siduv nanoskaala positsioneerimisvahendiga suurema käepidemega struktuuri abil, mis võib-olla koosneb adamantaanist puuridest, nagu on näidatud joonisel paremal. Teises süsinikuosas on hingeldav side, kus tavalise atsetüleeni (C₂H₂) molekulil tavaliselt on vesinikuaatom. Tööriista ümbritsev keskkond oleks inertne (nt vaakum või väärisgaas nagu neoon).

Kõige üksikasjalik analüüs kõige uuritud etünüül baasil  vesiniku eemaldamine vahend  on teatanud  Temelso jt (2006) ühena paljudest koostööpingutustel sisaldava  Nanofactory Collaboration. Non-etünüül- põhineb vesiniku eemaldamine tööriistad on pakutud teiste poolt, kuid on saanud suhteliselt piiratud teoreetiline uurimus kuupäeva. Meetodiks hoone see tööriist pakuti ja patenteeritud  2008. Freitas ja Merkle ja eksperimentaalne katse on käesoleva ettepaneku teostes.

1 2 3

(2) Süsinikku paigutamise tööriistad

Kui abstraktsioonivahend on loonud külgnevad reaktsioonivõimelised täpid, selektiivselt eemaldades vesinikuaatomid teemandipinnalt, on teine etapp süsinikuaatomite ladestamine soovitud kohtades. Sel viisil on ehitatud teemantide struktuur, molekul molekulide järgi vastavalt plaanile.

Esimene täielik tööriist kunagi ettepanek selle süsiniku ladestumist funktsiooni  teatatud  poolt Merkle ja Freitas juures Visioonikonverents 2002, on  DCB6  dimeeri paigutuste tööriist. Dimeer on molekul, mis koosneb kahest sama või molekulide üksteise külge kleepunud. Sel juhul dimeeri oleks C₂  – kaks ühendatud süsinikuaatomist kolmiksidet, kusjuures iga süsiniku Dimeersetes ühendatud suuremat reaktsioonivõimetu käepideme konstruktsiooni.

Dimeeris paigutuse vahend, samuti enim molekulaarset positsiooniline seadmes on ligidale reaktiivse laigud piki eriti trajektoori, põhjustades kahe rippuvad pinna väärtpaberid reageerida otsad süsiniku dimeeri. Dimeer paigutuste tööriist oleks siis tagasi, purustades suhteliselt nõrgem sidemeid see ja CC dimeer ja kandes süsiniku dimeeri näitaja pinnale, nagu on kirjeldatud  eespool. Asendit kontrollitakse dimeer võib olla seotud peaaegu kõikjal kasvav teemandistruktuuriga tooriku, võimaldab põhimõtteliselt ehitamiseks mitmesuguseid kasulikke nanopart kujundeid.

Alates 2006.  DCB6  dimeeri paigutuste tööriist jääb  kõige enam uuritud  tahes mechanosynthetic tööriisttip tänaseni, olles oli rohkem kui 150000 CPU-tundi arvutusi investeerinud seni oma analüüsi üks esimesi ühiseid pingutusi hõlmab  Nanofactory koostöö , kasutades kahte Beowulf klastreid  Zyvex. DCB6 tööriisttip motiivi on ainus tööriisttip motiivi, mis on  edukalt simuleeritud selleks ettenähtud funktsiooni täielik 200-aatom teemant pind. 30. märtsil 2010 USA patent nr 7687146 väljastati meetodit tootmise DCB6 vahend – esimese patendi kunagi välja teemant mechanosynthesis. Muud dimeeri (ja sellega seotud süsiniku üleandmine) tööriisttip motiive, mis on saanud vähem uuringu kuid on oodata ka hästi esineda on pakutud Drexler (1992), Merkle (1997), Merkle ja Freitas (2003), Allis ja Drexler (2005), Freitas, Allis ja Merkle (2006), Freitas ja Merkle (2008), ja teised, sealhulgas ka kõige käepärasem GermylMethylene (GM) vahend lisades metüülrühma teemant, nagu on esmakordselt kirjeldanud Freitas ja Merkle 2008.

1 2 3

(3) Vesiniku annetamise tööriistad

Pärast seda, kui aatomiliselt täpne struktuur on valmistatud vesiniku abstraktsioonide ja süsinikusisalduste hulgast, peab valmistatud konstruktsioon olema passiivne, et vältida täiendavaid ebasoovitavaid reaktsioone.

Kuigi vesiniku eemaldamine vahend on ette Kaubamärk inertse struktuuri reaktiivsed luues rippuvad sideme vesinik annetus tööriist ei vastand. See muudab reaktiivse struktuuri poolest inertsed lõpetatakse rippuvad side. Selline vahend oleks kasutatud stabiliseerida reaktiivne pind ning aidata vältida pinna aatomeid teisendamisel ootamatuid ja soovimatuid viise. Põhinõue on vesiniku annetuse on, et see sisaldama nõrgalt seotud vesinikuaatom. Paljud molekulide sobi sellele kirjeldusele, kuid vaheline side vesiniku ja germaaniumi (või tina) on eriti nõrk. GE-põhise (või Sn baasil) vesinik annetus vahend peaks olema tõhus.

Kõige üksikasjalik analüüs kõige-uuritud asendatud-adamantane põhinev vesinik annetus tööriist teatas Temelso jt (2007) ühena koostööpingutustel sisaldava  Nanofactory Collaboration. Alternatiivne vesiniku annetuse vahend motiivid on pakutud teiste poolt, kuid on saanud suhteliselt piiratud teoreetiline uurimus kuupäeva.

Selles reaktsioonijärgus kasutatud mehhanosünteetilised tööriistad:
HAbst Tööriist	HDon Tööriist	Germüülmetüleen (GM) Tööriist	GeRad Tööriist

Siin me kirjeldame tüüpiline mechanosynthetic reaktsiooni jada kasutades nelja atomically täpne kohtspikritele tabelis eespool. Järjestused niimoodi on kontrollitud, kasutades täiustatud ab initio Arvutikeemia arvutused  kuid mitte katseliselt. See konkreetne järjestus võib kasutada lisamiseks CH₃  sisuliselt tahes valitud süsinikuaatomi süsivesiniku tooriku. Alloleval joonisel, tooriku esindab klastri aatomit allosas raami esindavad tükikese C(100)-H(2×1) teemant pinnale. Süsinikuaatomid on must, vesinikuaatomit on valge ja germaaniumi aatomite kollaseks.

Selle reaktsiooni käigus otseselt tööd kolm vahendit valmistamise käigus: Vesiniku Abstraktsioon (HAbst) tööriista GermylMethylene (GM) vahend ja vesiniku annetus (HDon) vahend. Execution jada toodab kulutatud HAbst vahend ja kaks GeRad tööriistad (germaanium Radical on neljas tööriisttype) protsessi, mis tuleb värskendatakse enne korrates jada teisel leheküljel. Reaktsioonid värskendav need vahendid on ka ettepanek ja kontrollitud arvutuslikult, samuti reaktsioonid sünteesimiseks kõik tööriistad ja reaktsioone sünteesimiseks laia kasulikke süsivesikuid, sealhulgas teemant, grafiit, fullereenid ja rohkem.

Reaktsioonijada kirjeldatud ülal toimub alljärgnevalt: 
         (A)  HAbst tööriist läheneb konkreetse vesinikuaatom. 
         (B)  HAbst tööriist taandab veavad välja ammutatud vesinikuaatom. 
         (C)  GM vahend tema CH₂ rühma läheneb radikaali süsinikuaatom tooriku. 
         (D)  GM vahend tema CH₂ rühma väärtpaberid tooriku süsinikuaatom. 
         (E)  CH₂ jäänused liimitud tooriku süsiniku aatom GM tööriist tõmmatakse eemale, muundades vahend oma GeRad käepide eraldumist (purustades sideme) CH₂ . 
         (F) HDon tööriist läheneb äsjalisatud CH₂ rühma. 
         (G)  vesinikuaatom lahkub HDon tööriist ja väärtpaberid on kõrge reaktsioonivõimega CH₂-rühm, mis toodavad stabiilset CH₃ rühma tooriku; kui tööriist tühistab üleandmise vesinikuaatomit teisendab HDon vahend oma GeRad käepide.

Need mitu molekulaarsete abivahendite, pluss mõned teised, peaks võimaldama meil teha mitmesuguseid atomically täpne jäik struktuure, mis koosnevad vesiniku ja süsiniku – nt teemant.

Tõepoolest, see on palju ambitsioonikam esialgne eesmärk kui katse kasutada perioodilisi tabeleid kasutades kõiki 90+ looduslikke keemilisi elemente. Kuid vastupidi sellele, et keskendume sellele piiratud klassi struktuuridele, on meil palju lihtsam analüüsida üksikasjalikult neid struktuure, mida on võimalik valmistada, ja nende valmistamiseks vajalikke sünteetilisi reaktsioone. Teemant ja selle purunemiskindlad variandid kuuluvad sellesse kategooriasse, nagu ka fullereenid (sfäärides, torudes ja muud kujul rullitud süsinikuaatomite lehed). Need materjalid võivad koosneda kõik vajalikud osad nanomechaniliste põhiliste seadmete jaoks nagu näiteks tugipostid, laagrid (illustratsioon paremal), käigud, vardad, korpused ja robotsüdamikud.

Hiljem, kuivõrd meie analüütilised ja eksperimentaalsed võimeid DMS-i küpsetis ja rohkem vihjeid on välja pakutud ja analüüsitud, võib lisada ka käputäie täiendavaid elemente, nagu näiteks dopantomeerid, et valmistada rombide elektroonilisi seadmeid ja süsinikku asendav räni struktuurse puuri aatomina mõned rakendused.

Need ja nendega seotud struktuurid, ehk ikka koosneb peamiselt süsinikust ja vesinikust kuid nüüd koos lämmastiku aatomeid, hapnik, räni ja mõned muud keemilised elemendid, mis täidavad meie võimet toota laiemat kogu klassi “teemandistruktuuriga” materjale. See võimaldab palju suuremat mitmekesisust valmistoodete tooteid, nagu laagrid laiemat suurused, mis kasutavad teisi aatomeid (kaugemale vesinikust ja süsinikust), millel on erinevad kovalentne aatomi raadiused, nagu on näidatud paremal.

Esimene ettepanek on praktiline protsess hoone  DCB6Ge mechanosynthetic tooltip, mida  Freitas, esitati kui esialgses patenditaotluses 2004. aasta veebruaris ning täieliku kasuliku patendi Zyvex veebruaris 2005 – esimene mechanosynthesis patendi kunagi esitatud. Loe varajane versioon patenditaotluse  siin  või  siin.

Töödeldavust ning  Freitas ettepanek protsess on juba saanud väärtuslik ja oodatud  kriitika  teadusringkondade ja  Freitas  usub, et mõned versiooni protsess võib olla piisavalt elujõuline olla oluline hüppelaud keerukamaid DMS lähenemisviise.

Meetodid hoone kolm täiendavat DMS Kohtspikritel katseliselt kasutades ainult praegu saadaval laborimeetoditele olid ettepanek  Freitas ja Merkle 2008. Septembriks 2007, kui ta patendi, kalibreerimine jookseb alustatud äsja omandatud skaneerimine sond seadmed, mis oli eeldatavasti kasutatakse meie experimentalist osalejad katse ehitada esimese DMS tooltip kasutades üht ettepanek DMS reaktsioonijadadega.

Muud praktilisi ettepanekuid hoone esimene DMS kohtspikritele, kasutades olemasolevat tehnoloogiat, on teretulnud poolt Nanofactory koostöö.

Kui esimene DMS vahendid on ehitatud, neid saab kasutada ehitada järgmise põlvkonna täpsemalt kergemini laetav ja üldiselt palju paranenud mechanosynthetic tööriistad (illustratsiooni paremal). Lõpptulemus see iteratiivne arendamine protsess on küps kogum tõhus, asendispetsiifiliste kontrollitud mechanosynthetic vahendeid, mida saab usaldusväärselt ehitada atomically täpne  teemandistruktuuriga  struktuurid – sealhulgas rohkem DMS tööriistu.

Tehases tootmisliini, individuaalne DMS kohtspikritele saab kinnitada jäik liigub tugistruktuure ja juhendatakse korduval kokkupuutel sündmusi detailide, täidiseid jaamad ja teised sarnaselt-kinnitatud lähedalasuva kohtspikritele. Need  molekulaarse veskid  võib seega teostada korduvaid valmistamise etappe kasutades lihtsaid, tõhusad.Mills võib põhimõtteliselt võimalik kasutada suurtel kiirustel – koos positsiooniliselt piiranud mechanosynthetic kohtab see võib toimuda temperatuuril kuni megahertsi sagedustel.

Kasutades arvutil automatiseeritud kohtspikritele toimivad positsiooniliselt kontrollitud DMS aeganõudvas programmeeritud järjestused reaktsioonietappide võime olla valmistada lihtsate  teemandistruktuuriga  nanomechanical osad nagu laagrid, hammasrattad, toed, vedrud, loogika vardad ja korpused tuumateabele täpsusega.

Varajane tööriistad progresseerub ühe DMS tööriistad manipuleerida SPM-nagu mehhanisme, et keerulisem multitip tööriistad ja rakised mis lihtsaid vahendeid võiks formeerima, üks korraga. Need täiendavad vahendid oleks siis kasutada, et luua progresseerumist võimekam vahendid ja mehhanismid, rida arengu lõpp tootmisliinid kontseptuaalselt sarnased illustreeritud (lihtsustatult) paremal.