Original: http://www.molecularassembler.com/Nanofactory/Challenges.htm
Versioon 1.3
Diamondoidi molekulaarse tootmise, molekulaarsete masinasüsteemide, nanoskaalarobootika ja nanotehaste otstarbekuse demonstreerimiseks tuleb ületada väga palju tehnilisi väljakutseid. Põhilise teadusliku teostatavuse juhtumi tõi esmakordselt välja K. Eric Drexler oma maamärgi inseneriõpikus Nanosüsteemid (1992). Drexleri tööle tuginedes on Freitas oma tehniliste raamatute sarjas Nanomeditsiin Köide I (1999) ja Nanomeditsiin Köide IIA (2003) ning Freitas ja Merkle on oma tehnilises raamatus Kinemaatilised isereplikatsioonimasinad (2004) uurinud molekulaarse tootmise praegust taset.
Kuna selle eeltööga on molekulaarsete masinasüsteemide mõte ja potentsiaalne kasulikkus kindlaks tehtud, hakkab tehniline ringkond neid ettepanekuid põhjalikumalt tõsisemalt uurima, et hinnata nende teostatavust. Tehnikakogukonna konstruktiivne skeptilisus on nii soovitud kui ka Nanofactory koostöö edukaks saavutamiseks hädavajalik. Molekulaarsete masinasüsteemide väljakutsete ja piirangute täielikum mõistmine on võimalik ainult rakendamise arvukatele üksikasjadele keskendudes.
Alates 2001. aastast oleme koostanud kasvava loetelu tehnilistest väljakutsetest teemantoidmolekulide tootmise ja molekulaarsete masinate süsteemide rakendamisel. See pikk, kuid peaaegu kindlasti puudulik loetelu on paralleelne ja sisaldab kirjalikke probleeme, mida väljendasid Philip Moriarty 2005. aastal ja Richard Jones 2006. aastal läbimõeldud kommentaarides. Me tervitame neid kriitikaid ja julgustame edasisi konstruktiivseid kommentaare – ja soovitusi täiendavate tehniliste väljakutsete jaoks, mis võime olla tähelepanuta jätnud – sarnaselt teistele.
Meie nimekiri on pikaajalise teadus- strateegia, mis toimib otsene vastus hiljutise (2006) kõne poolt NMAB/NRC hindamise komitee, nende Kongressi volitatud läbivaatamise kohta NNI jaoks pooldajad “kohaspetsiifiline keemia suurte skaala tootmine” eesmärgiga: (1) piiritleda soovitavad uurimissuunad, mida biokeemia kogukond veel ei tee; (2) määratleda mõned olulised eksperimentaalsed etapid ja keskenduda neile, mis on pikaajaliste eesmärkide saavutamiseks üliolulised; ja (3) toovad “tõestus-põhimõte” uuringud, et kui edukas, annaks teadmisi või inseneri demonstratsioone peamised põhimõtted või osad kohe raha.
Julgustaksime huvitatud teadlasi ühinema Nanotehas koostööga, et aidata meil lõplikult lahendada kõik ülejäänud tehnilised väljakutsed, tehes vajalikke teoreetilisi – ja mõnel juhul ka eksperimentaalseid – uuringuid.
Meie praegune tehniliste väljakutsete loetelu on jaotatud nelja tehniliste võimete kategooriasse, mis on meie arvates vajalikud positsioonilise diamondoidmolekulaarse tootmise edukaks saavutamiseks, võimaldades nanotehase arengut. See loetelu on praegu kõige ulatuslikum teemantmehhanosünteesi (DMS) valdkonnas, kuna DMS on olnud meie varaseimate jõupingutuste põhitähelepanu nanotehase juurutamise suunas.
(I) Teemantmehhanisünteesi tehnilised väljakutsed
(A) TEOREETILINE
(1) DMS-i näpunäidete kujundamine ja simuleerimine
(a) Vaja on uute mehaanosünteetiliste tööriistavihtide arvutuslikke simulatsioone
(b) Vaja on suure kuvasuhtega tööriistaotsa käepidemestruktuuride arvutuslikke simulatsioone, mis võimaldavad tooriku reaktsioonikohtade ja (võimalik, et ka mitme) tööriistaotsa lähedal asetada reaktsioonikoha lähedale.
(2) Tööriista ja tooriku koostoime kujundamine ja simuleerimine
(a) Vaja on tööriista ja tooriku koostoime teemantpindadega simulatsioone (soovitatav on VASP või samaväärne tarkvara).
(b) Tööriista ja tooriku optimaalsete lähenemistrajektooride, tööriistade ja tooriku optimaalsete suhteliste positsiooniliste konfiguratsioonide vajaduste analüüs ja tööriistaotsa tööümbrikute kaardistamine eksperimentaalselt juhitavate parameetrite, näiteks tööriista otsa ja tooriku nurkade ning tööriista otsa ja tooriku kauguste suhtes.
c) vajavad analüütilisi ja statistilisi hinnanguid selle kohta, kas põhiline DMS-i mehhanokeemia on piisavalt usaldusväärne, et jätkata ilma vigade kontrollita.
d) vajavad kõigi patoloogiliste seisundite, mida toorik võib DMS-i reaktsiooni käigus omandada, põhjalikku loendit ja hindamist. See analüüs peab sisaldama reaktsiooni endo-/eksoergilisust soovitud oleku suhtes, tõkkeid patoloogiliste seisundite suhtes ja patoloogilisi vahe-/siirdeseisundeid, mille toorik võib DMS- reaktsiooni ajal või pärast DMS-i reaktsiooni lõppemist omaks võtta. Tooriku defektide tihedust tuleb kontrollida ja kõrvaldada.
(3) Tööriista ja tööriista koostoimete kujundamine ja simuleerimine
(a) Vajalikud uuringud võimalike steeriliste ummikute kohta lähedaste tööriistavihtide seas. Paljud rühmad, kes töötavad kahesuguse sondiga skaneerivate sondisüsteemide kallal, on olemasolevate skaneerivate sondide otsade lõpliku kõverusraadiuse tõttu kokku puutunud kahe sondi üksteise lähedale asetamise põhipiiridega. DMS-i rikke režiimid võivad seega hõlmata soovitud reaktsioonide steerilist takistamist, liiga tihedalt kokku viidud tööriistaotsa käepidemestruktuuride võimalikku aatomi rekonstrueerimist ja otseste kokkupõrgete tõttu otseseid mehaanilisi kahjustusi. Ideaalsel tööriistavihje/käepideme kombinatsioonil on kõrge kuvasuhe, et võimaldada tööriistavihtide maksimaalset lähedust. Tihedalt kõrvuti asetsevate näpunäidete tööümbriste piirid tuleb kvantifitseerida nii teoreetiliselt kui ka eksperimentaalselt.
(4) Mehaanosünteetiliste vastasmõjude simuleerimine realistlikus vaakumkeskkonnas
(a) Vajad simulatsioone ja uuringuid, milles uuritakse realistlikesse eksperimentaalsetesse vaakumikeskkondadesse paigutatud avatud radikaalsete saitide näpunäiteid. Vajadus hinnata hulkuvate saasteainete tõttu tekkiva radikaalimürgituse riski ja hinnanguid nende avatud radikaalide eeldatava eluea kohta sellistes vaakumkeskkondades. Milline vaakum on minimaalseks vajalikuks piisavate tööriistade eluea jaoks, et võimaldada teostatavaid DMS-protsesse? Kas mõned tõenäoliselt saasteained on halvemad kui teised?
(b) Vaja on simulatsioone ja uuringuid, milles uuritakse toorikuid ja teemantpindu koos avatud radikaalsete saitidega, mis asuvad realistlikes eksperimentaalsetes vaakumikeskkondades. Vajadus hinnata hulkuvate saasteainete tõttu tekkiva radikaalimürgituse riski ja hinnanguid nende avatud radikaalide eeldatava eluea kohta sellistes vaakumkeskkondades. Milline vaakum on minimaalne, mis on vajalik tooriku või teemantpinna piisava eluea jaoks, et võimaldada teostatavaid DMS-protsesse? Kas mõned tõenäoliselt saasteained on halvemad kui teised?
c) Vajadus uurida olemasolevaid vaakumsüsteeme ja ülikõrgete vaakumite olemasolu. Samuti tuleb hinnata tööruumi saastumise riski tõenäolist suurenemist muudest allikatest kui tööriistavihjed ja toorikud, eriti saasteainete molekulide heitgaaside eraldamine (desorptsioon) pindadelt, tööriista otsakäepidemetest, tihenditest või muudest tööruumi mahus leiduvatest mehhanismidest.
(5) Kogu DMS-i reaktsioonijärjestuste kavandamine ja simuleerimine
(a) Vaja on DMS-i reaktsioonijärjestuste kavandamist ja simulatsiooni, mis minimeerivad tooriku, tööriistaotsa ja vahestruktuuri rekonstruktsioone ning hoiavad tooriku vahestruktuuride piisavat passiivsust.
(b) Vaja on kavandada ja simuleerida tühjenenud tööriistavihikute jaoks näpunäidete laadimise protseduure.
(c) Vajab „minimaalse tööriistakomplekti” ja minimaalse reaktsioonikomplekti määratlust põhiliste DMS-ide jaoks, sealhulgas konkreetsed teemantide ehitamise reaktsioonide järjestused, mis on vajalikud ja piisavad lihtsate teemandistruktuuride ehitamiseks (nt Merkle (1997), Freitas (2007)).
(d) „Minimaalsete tööriistakomplektide” laiendamine ja väljatöötamine, mis on piisav laiendatud DMS-i saavutamiseks, sealhulgas nõgusate, kumerate ja pingutatud kestaga teemoidkonstruktsioonide positsioneeritud tootmine.
(6) DMS-protseduuride kavandamine ja simuleerimine väljaspool süsivesinikke
(a) DMS-i tuleb laiendada muudele aatomitele kui C ja H – ideaalis tagades nullilähedase rippuva sideme tiheduse, kõrge difusioonibarjääride ja suunatud kovalentsete sidemete kombinatsiooni.
(7) Tooriku pindade ümberkorraldamine ja rekonstrueerimine
a) Kas nanomehaaniliste osade (ja nende vahestruktuuride valmistamisprotsessis iga DMS- reaktsiooni ajal ja järel) jaoks ette nähtud väikesed teemateroidkonstruktsioonid on struktuurilt stabiilsed või korraldavad need ümber? Hiljutised uuringud nanodiamondsete ümberkorralduste kohta on õpetlikud ja neid tuleks põhjalikult läbi vaadata koos kirjandusega, milles kirjeldatakse H passivatsiooni/depassatsiooni ja temperatuuri mõju pinna rekonstrueerimise olemusele ja sagedusele.
b) Kui need väikesed teemantkonstruktsioonid ümber korraldavad, kas ümberkorraldus on korrapärane ja usaldusväärne või juhuslik ja multistruktuuriline? Kas ümberkorraldusi saab ümber pöörata, näiteks rekonstrueeritud pinna tagasipööramisega, nagu teemant C(111) pinnal? Kas ümberkorraldamist saab ignoreerida, nagu näiteks tööriistaotsaga käepideme puhul, mis pärast selle valmistamist teataval, kuid suhteliselt kahjutul viisil ümber paigutatakse (st viisil, mis ei mõjuta otsas toimuva positsioneeritava keemia usaldusväärsust))?
(c) Vaja on kirjanduse ülevaadet ja täiendavaid teoreetilisi uuringuid teemantpinna kalduvuse kohta grafitiseerumisele ja selle struktuurse patoloogia esinemise tingimustele.
(d) Vaja on kirjanduse ülevaadet ja täiendavaid teoreetilisi uuringuid liigi liikumise kalduvuse ja kiiruse kohta kolme peamise teemandipinna vahel, sealhulgas funktsioonina ka rände-ja nurgakonstruktsioonide, aukude servade ning kumerate ja nõgusate piirkondade ränne liigi tüübist ja süsteemi temperatuurist. Need uuringud peaksid hõlmama pinna difusiooni ja migratsiooni tõkete analüüsi ja kvantifitseerimist.
(e) vajate uuringut selle kohta, mil määral põhjustab fotoerutus nende struktuuride (ja nende vaheühendite valmistamise ajal) valereaktsiooni ja ümberkorraldusi.
(f) Vaja on uuringut selle kohta, mil määral pingutatud sidemete olemasolu ja geomeetriline jaotus ning venitusaste mõjutavad väikeste teemantoidsete nanosade ja nende vahestruktuuride rekonstrueerimist.
g) sihtmärk-teemantmasinaosade struktuurse ja keemilise stabiilsuse kindlakstegemiseks on vaja korralikke kvantkeemilisi arvutusi (nt ab initio, tiheduse funktsionaalne teooria) – stabiilse struktuuri saavutamine tasakaalus (struktuuri üldise madalaima vaba energiaga). Ainuüksi molekulmehaanika simulatsioonid ei suuda seda täpselt kindlaks teha.
(h) Metastabiilsete struktuuride kineetilise stabiilsuse uurimiseks on vaja kvantkeemiat (nt AIMD) kasutavaid molekulaarse dünaamika simulatsioone. Metastabiilsed struktuurid on struktuurid, mis ei ole tasakaalus, kuid millel on piisavalt väike tõenäosus transformeeruda (soovimatuks) stabiilsemaks olekuks, et need võivad siiski olla kasulikud nanoinseneritöö otstarbel. Metastabiilsete konstruktsioonide kasulikkuse hindamine nõuab rekonstrueerimist takistava energiabarjääri arvutamist ja tagamist, et süsteemis saadaolev energia (olgu see siis termiline, mehaaniline või muu) on ebapiisav, et metastabiilse süsteemi üle selle tõkke suruda.
(i) Ainult väga väike hävitamata pindade alamhulk ei rekonstrueeru. Vajad ülevaadet kõigist pindadest (nii passiivsetest kui ka passiivsetest), mida teadaolevalt ei rekonstrueerita. See annab DMS-i katseliste katsete varajase loendi. Rekonstrueerimata pinna tuntuim näide on teemant C(110) pind. Pinna rekonstrueerimise üldise nähtuse hilisem laiem ülevaade aitaks tulevaste mehaanosünteetiliste eksperimentide jaoks seada esikohale teisese sihtmärgi loendi. Selle laiema uuringu jaoks tuleks analüütiliselt rõhutada jäika kovalentset keraamikat ja sellega seotud tahkeid aineid ning <10 nm suuruseid nanoklastreid, mis on kõige otsesemalt analoogsed pakutavate mehaaniliste nanoosadega, nagu hammasrattad ja laagrid, mis võivad sisaldada kuni 104 aatomit.
(j) Vaja on lõplikku uuringut, et teha kindlaks, kas puhas (passiveerimata) C(111) pind taastub spontaanselt toatemperatuuril või sellest madalamal temperatuuril, ning et määrata kindlaks, millist temperatuuri künnist alla ei rekonstrueerita.
k) vajadus kvantifitseerida mõju pinna lõdvestumisnähtuste DMS-i usaldusväärsusele ja korratavusele, eristatuna pinna rekonstrueerimisnähtustest, nt nagu on kirjeldanud Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff et al (1994), Venables (2000)) ja Luth (2001). Lõdvestusefektid võivad olla olulised paljudes teemoidmaterjalides, eriti safiiri (alumiiniumoksiid, Al2O3) puhul, kus hapniku pinna pinna lõdvestused võivad ulatuda ~ 50%-ni kuusnurkse (0001) näo kihist.
(8) DMS-i molekulaarsete lähteainete esitlussüsteemide kavandamine ja simuleerimine
(a) Vajadus kujundada ja simuleerida fikseeritud pindadele kinnitatud lähtemolekulide esitlust, et neid saaks hõlpsalt kätte saada mehaanosünteetiliste sadestamisvahendite abil, samuti liikumiste ja protseduuride ulatus lähtemolekulide saamiseks lähtemolekuli esitluspinnalt positsionaalselt kontrollitud tööriistaotsale.
(b) Alternatiivselt siduvad, transport läbi barjääri pinnakihiga ja positsioneerimine esialgu positsiooniliselt pidurdamatu vedela või gaasilise lähteaine molekulidega (nt atsetüleeni või C2H2) tuleks uurida arvestusega projekteerimise Seondumissaitide põhineb peamiselt molekulaarsed steerilised (kuju) omadused, mida saab paindlikult muuta kasutamiseks molekulaarsetes tootmissüsteemides.
(B) EKSPERIMENTAAL
(1) Ülitäpsete UHV nanopositsioonisüsteemide üldine projekteerimine ja ehitamine
(a) Kõige hädavajalikum uus katsevõimalus on madala müratasemega SPM-i positsioneerimissüsteemi väljatöötamine väga korratava sub-Angströmi (0,2–0,5 Å) positsioneerimistäpsusega 1-mikronistel edasi-tagasi radadel koos alam-nanomeetriga täpne koordinaatsüsteem, mis hõlmab vähemalt kümneid mikroneid.
(b) Vaja on positsioneerimissüsteemi, mis minimeerib hüstereesi ja tagasilööki või mis toimib minimaalselt piisavalt korrataval viisil, et tagada tööriistavihiku paigutuse täpsus 0,2–0,5 angströmi.
c) mitmekordse otsaga nanopositsioonisüsteemide laiendamine, suurendades ühe molekuli positsioneerimise võimalikke vabadusastmeid (nt kui tooriku pöörlemine ja kallutamine on manipuleerimissündmuste ajal saadaval) varases süsteemis ning võimalusel lisada hilisematesse süsteemidesse suletud kahe otsaga AFM-süsteemi silmusjuhtimine, mille tööriistavihje kohta on vähemalt 5 vabadusastet (parem oleks 6 DOF-i otsa kohta, et saaksime tööriistavihjeid täpselt joondada).
d) Tuleb tagada minimaalse saastatusega ultraklaasne UHV keskkond. Tüüpiline UHV vaakum ~10-9 torr annab katsele keskmiselt ~1000 sekundit, enne kui võib hulkuvate saasteaatomite, ioonide ja molekulide kokkupõrke tõttu tekkida avatud radikaalse koha mürgitus. Abiks oleks võime töötada väikestes mahtudes. Näiteks sisaldab 1 nanotorriline vaakum suletud 10 000 kuupmikronises karbis keskmiselt palju vähem kui ühte saasteainemolekuli – see teeb tegelikult täiusliku vaakumi.
e) Tuleb uurida trajektooride, pöörete ja positsioneerimise arvutijuhtimist, mille lõppeesmärk on automatiseerida DMS-protsess täielikult, et nanostruktuure saaks valmistada vastavalt konkreetsele kavandile.
(2) DMS-i nanopositsioonisüsteemidele omased väljakutsed
(a) Vaja on uusi meetodeid positsioonide registreerimiseks ja tööriista otsa joondamiseks tooriku sihtreaktsioonikoha suhtes. Isegi äärmiselt väike mittevastavus tööriistaotsa joondamisel põhjustab soovimatut sideme moodustumist. Mitme tööriista otsa korral peab iga tööriist olema võimeline täpselt joondama ja asetama tooriku reaktiivse koha kohale.
(b) Vaja on uue või tagastatava ümberpaigutatud tööriistavihje korratavat positsioneerimist ja joondamist tooriku saidi suhtes, mida tööriistaviht on varem külastanud, piisava täpsusega, et võimaldada madala tõrgeteta DMS-i.
(c) Vaja on uue või tagasipöörduva tööriistaotsa korratavat pööramist ja kallutamist tooriku reaktiivse koha suhtes piisava täpsusega, et võimaldada madala veaga DMS-i. Eeldatakse, et väikesed muutused tööriistaotsa kaldes muudavad reaktsiooni eksoergilisust, reaktsioonibarjääre ja reaktsiooni usaldusväärsust.
d) Vajadus välja töötada meetodid lähedaste mitme tööriistavihje positsiooniliseks registreerimiseks. Kuidas saab üks tööriista teise suhtes leida mehhanosünteetilise sammu sooritamiseks, mis nõuab kahe või enama tööriistavihje kooskõlastatud tegevust? See probleem kehtib nii suhteliste tööriistavihje positsioonide kui ka suhteliste vihje pööramiste kohta.
e) Varajase DMS-i demonstreerimissüsteemide jaoks on vaja katsetamisvõimalust mitme otsaga vahetamiseks. Hilisema põlvkonna “veskitüüpi” DMS-süsteemides võidakse kasutada töödeldavaid detaile ja tööriistu, mis on kinnitatud liikuvale transpordisüsteemile, mis kannab neid mööda ettemääratud trajektoore, mille jooksul nad tühjendatakse, seejärel laaditakse korduvas järjestuses.
(f) Vajab meetodeid, et tagada täpne kontroll tööriistakeemia ja -struktuuri üle, et konkreetsed reaktsioonid oleksid võimalikud suure usaldusväärsusega.
(3) DMS-i otsikute eksperimentaalne valmistamine
(a) Vajad ettepanekuid (ja ettepanekute kriitikat), mis kirjeldavad, kuidas ehitada sobivate käepidemestruktuuridega mehaanosünteetilisi näpunäiteid, kasutades tehnikaid, mis on täna eksperimentaalselt kättesaadavad. (Hilisema põlvkonna süsteemid võivad kasutada näpunäiteid, mis on palju kiirem ja tõhusam protsess.)
(b) Vajab meetodeid, et kirjeldada tööriistavihjeid pärast nende väljatöötamist, neid hävitamata ja inaktiveerimata. See on eriti oluline DMS-i katsetamise varases staadiumis, kui meie kogemus selliste süsteemidega (ja nende mõistmine) on kõige madalam.
(4) DMSi eksperimentaalne taust
(a) Katsealal otsime eksperimentaale, kes soovivad ja suudavad laboratoorselt demonstreerida (1) lihtsat DMS-i või (2) spetsiifilisi nõutavaid võimalusi, mis on vajalikud keerukamate mehaanosünteetiliste operatsioonide läbiviimiseks.
(b) C(111), C(110) ja C(100) teemantpindade käitumise täielikuks iseloomustamiseks erinevates tingimustes, mis võivad DMS-i ajal ilmneda, vajavad eksperimentaalkirjanduse ülevaadet ja vajalikke täiendavaid eksperimentaalseid töid.
(c) Vaja on analüüsi tooriku vaheolekute tingimusliku testimise kasulikkuse kohta DMS-i valmistamise ajal ja selle jaoks kõige sobivamate meetodite kohta. Kas DMS-i reaktsioonietapi ajal piisab tööriistavihje/tooriku registreerimisest koos positsioonilise ja jõu tagasiside mõõtmisega, et tagada DMS-i usaldusväärne töö või on tingimuslik testimine ja tooriku reaktsioonikoha iseloomustamine iga etapi vahel vajalik DMS-i vastuvõetava töökindluse saavutamiseks? Arvatakse, et tooriku vahepealsete olekute testimine võib DMS-i varases staadiumis olla hädavajalik katsetamine. Kui kogemused nende süsteemidega kasvavad ja teadmised tööriista otsa ja tooriku vastastikmõjude kohta kogunevad tavapärasest vastuste vahemikust, võib olla võimalik suures osas järkjärguline testimine välja jätta, asendades lõpptoote testimise ja kohapealse kontrolli kvaliteedikontrolli eesmärgil. Järk-järgulise testimise kõrvaldamine on tõenäoliselt võtmetähtsusega DMS-põhiste tootmissüsteemide, eriti veskitüüpi süsteemide tohutu paralleelsuse ja laiendamise jaoks.
(5) Eksperimentaalse põhimõttelise tõestamise ja varajase DMS-i tutvustamise võrdlusalused
(a) Vajab eksperimentaalselt puhtalt mehaanosünteetilise (st ainult mehaaniliste jõudude, elektriväljadeta) H-abstraktsiooni demonstreerimist, eelistatavalt teemantpinnal.
(b) Vajab puhtalt mehanosünteetilise H doonorluse eksperimentaalset tutvustamist, eelistatavalt teemandi pinnal.
(c) Vajab eksperimentaalselt puhtalt mehanosünteetilise C2 dimeeri (või muu lihtsa süsivesinikufragmendi) paigutamist, eelistatavalt teemandi pinnale.
(d) Vaja on kahe või enama DMS-reaktsiooni puhtalt mehhanosünteetilise järjestuse eksperimentaalset demonstreerimist samal toorikul samal reaktiivsel saidil või selle lähedal – näiteks kaks kõrvuti asetsevat H-abstraktsiooni teemandi pinnal või C2 dimeeri paigutust C-l(110), millele järgnes H annetus peale varem avaldatud C2 dimeeri.
e) vajavad eksperimentaalset demonstreerimist võimest teostada teemantpinnal DMS-toimingute korratavat järjestust, mille tulemuseks on sellel pinnal uue teemoidstruktuuri kontrollitav valmistamine.
(f) Vaja on olulise 3D teemant-nanostruktuuri puhtalt mehaanosünteetilise valmistamise eksperimentaalset tutvustamist.
(g) Vaja on 3D pingutatud kestaga timoidkonstruktsiooni puhtalt mehhanosünteetilise valmistamise eksperimentaalset tutvustamist.
(6) DMS-i paralleelsus
(a) Vajab eksperimentaalset demonstreerimist võime teemantpindu H-passiveerida või H-depassiveerida samaaegselt mitmes kohas paralleelsete tööriistavihikute abil.
(b) Vajavad muud tüüpi mehaanosünteetiliste toimingute eksperimentaalseid katseid, mis demonstreerivad vähemalt DMS-i näpunäidete massilise paralleelsuse võimalust.
(7) Looduslike nanoosade kättesaadavus katsetamiseks ja valmistamiseks
(a) Kasulik oleks omada täielikku looduslikult esinevate adamantaanstruktuuride raamatukogu, mis oleks liigitatud suuruse, geomeetrilise struktuuri, aatomite arvu, sidumise/ühenduvuse, kättesaadavuse järele pärast nafta ekstraheerimist jne. See ütleks meile, millised looduslikult esinevad “osad” võivad olla hõlpsasti kättesaadavad suurtes kogustes edasiseks töötlemiseks keerukamateks nanostruktuurideks, näiteks laagriteks, hammasratasteks jms, või varajases staadiumis eksperimentaalsete manipulaatorisüsteemide toimimise testimiseks.
b) Tuleks uurida Diamondoid-nanoosade ehitamise võimalust, alustades adamantaani ehitusplokkide primitiividest. Kui see osutub võimalikuks, võib see vähendada mõningast vajadust täppis DMS-i järele, mida kasutatakse teemantoidsete nanoosade põhiliste puuriraamide valmistamisel. Täpne DMS oleks endiselt vajalik oluliste nanoosade pinnaomaduste lisamiseks või muutmiseks ning adamantaani primitiivide kovalentseks ühendamiseks suuremateks agregaatideks diamondoid-nanoosade valmistamise käigus.
(II) Programmeeritava positsioonilise assamblee tehnilised väljakutsed
(A) TEOREETILINE
(1) Nanopart haaratsite disain
a) positsioneeritavad haaratsid peavad olema konstrueeritud nii, et nad saaksid valmis nanoosasid haarata ja seejärel manipuleerida, kas neid mujale transportida või monteerimisetappide kaupa edasi käsitseda, näiteks osade sisestamise toiming (täiendavasse auku surutud pulk) või muu sarnane kokkupanek, milles väikesed osad on mehaaniliselt ühendatud, et saada suuremad ühendi nanoosad, mis hõlmavad van der Waalsi sidumist. Kombineeritud nanomasinate komponentidest ehitamiseks mõeldud käsitsitööriistad võivad oma konstruktsioonilt oluliselt erineda mehhanosünteesiks mõeldud käsitsitööriistadest. Näiteks on mehaanosünteetilistel näpunäidetel tavaliselt peaaegu eranditult kovalentse sideme moodustav reaktsioonivõime, samas kui kokkupaneku tööriistavihtides võib osade haaramiseks kasutada peamiselt van der Waalsi või muid nõrku sidumisvahendeid,
b) Vaja on meetodeid haaratsite kinnitamiseks peene positsioneerimissüsteemi külge, säilitades samal ajal jäikuse ja haarde käivitamise võime.
(c) Vajadus vahetada SPM-i otsas üks haaratsimehhanism teise vastu. See tähendab kaasnõuet depoo struktuuride kujundamiseks kasutamata haardemehhanismide mugavaks ajutiseks ladustamiseks ja väljavõtmiseks.
(2) Nanopart manipulaatori ajami disain
(a) Vaja on nanoskaala ja molekulaarmootorite kavandeid. Need kavandid tuleks luua, kaaludes vajadust ajamite tulevase ulatusliku integreerimise järele nanomõõdulistes seadmetes, ning need peaksid hõlmama võimalike tulevaste mitme ajamiga süsteemide kaalumist.
(3) Nanoosade lähteainete esitlussüsteemide kavandamine ja simuleerimine
(a) Vajadus kujundada ja simuleerida fikseeritud pindadele kinnitatud nanoosade esitusviisi, et neid saaks hõlpsalt montaaživahendite abil kätte saada, samuti liikumiste ja protseduuride ulatus nanoosade hankimiseks nanoosade esitluspinnalt positsioneeritava juhitava montaaži tööriista külge.
(b) Alternatiivina tuleks uurida vedelas või gaasilises kandevedelikus hõljuvate algselt positsioneerimata kitsendamata nanoosade sidumist, transportimist tõkkepindade kaudu ja positsioneerimist, pidades silmas nanoosade sidumiskohtade kujundamist, mida saab paindlikult muuta kasutamiseks molekulaarses tootmissüsteemid.
(4) Tooriku vabastuspindade kujundamine ja simuleerimine
(a) Vajadusanalüüs selle kohta, kuidas nanoosasid ja/või nende vahestruktuure ehitada muulidele või eemaldatavatele pindadele, seejärel korja need üles.
(5) Nanoosade koostjärjestuste kujundamine ja simuleerimine
(a) Vajadus kavandada montaažietappide järjestused, mis on vajalikud konkreetse osade kogumi kokkupanemiseks konkreetseks kokkupandud objektiks vastavalt kavandiplaanile. See hõlmab ka liikumisi, mis on seotud osade omandamise ja valmistoote eseme ladustamisega depoo aladel.
(6) Aatomite ümberkorraldused kõrvuti asetsevates nanoosades
(a) Vajadus monteerimistoimingute käigus teiste liikuvate nanoosadega tihedas kontaktis olevate liikuvate nanoosade võimalike rekonstruktsioonide (ja keemilise stabiilsuse) kvantkeemilist ja molekulaarset dünaamikat.
(B) EKSPERIMENTAAL
(1) SPM-tehnoloogia väljatöötamine, et võimaldada nanoosade kokkupanekut
(a) SPM-i otsade lõpp-efektidena on vaja pööratavaid nanoosast haaratsit. Haaratsid peaksid olema võimelised kaugjuhtimiseks ja/või tingimuslikuks kasutamiseks.
b) Montaažitöödel kasutatavad SPM-süsteemid võivad nõuda vähem täpset paigutuse täpsust, kuid võimet rakendada suuremaid jõude ja keerukamates suundades (nt keerdliigutused, mis rakendavad ümmargusi või spiraalseid pöördemomente, keerme-/sisestusliigutused jne.). Nanomeetri skaalaga nanoosadest aatomi täpse toote valmistamine ei vaja nanoosade positsioneerimisel aatomi täpsust, vaid ainult piisavat asukoha täpsust, et eristada soovitud koostestruktuuri külgnevatest patoloogilistest koostestruktuuridest.
(c) Peab välja töötama aktiveerimismeetodi, mida saab hõlpsalt paralleelselt juhtida ja mis on potentsiaalselt skaleeritav.
(2) Tooriku vabastuspindade valmistamine ja katsetamine
a) Vaja on osi, mis on mõeldud hõlpsaks haaramiseks ja käsitsemiseks.
b) vajate tõhusaid osade esitamise skeeme.
(c) Uurige osade juhitava nakkuvuse võimalust positsionaalselt juhitava montaaži ajal.
(d) Uurige nanoosade kaubaaluste paigutamise võimalust.
(e) Uurige DMS-põhise nanoosade valmistamise võimalust ohverdatud pinnal, mis lahustatakse, vabastades nanoosad kandevedelikusse.
(3) Eksperimentaalsed põhimõttelise tõestuse ja varase positsioonilise kokkupaneku tutvustamise võrdlusalused
(a) Vajab eksperimentaalset demonstreerimist võime osade esitluspinnalt või osade depoost täpselt leida ja kätte saada sisestatud nanoosasid.
(b) Vajab eksperimentaalset demonstreerimist kahe või enama nanoosa puhtmehaanilisest ühendamisest keerulisemaks tooteobjektiks.
(c) Vajab eksperimentaalset tõestust, et valmis kokkupandud tooteobjektid saaksid stabiilselt paigutada toodete ladustamispinnale või toodete depoosse teadaolevas asukohas ja asendis.
d) vajavad puhtalt mehhanosünteetilise sisestamise ja/või keermestamise katsetamist.
(e) Vajab eksperimentaalset tõestust kahe tooteobjekti hankimise ja nende ühendamise kohta, et moodustada keerulisem tooteobjekt.
(III) Massiivselt paralleelse positsioonilise assamblee tehnilised väljakutsed
(1) DMS-i reaktiivsete näpunäidete ja süsteemide massiline paralleelsus
(a) Vajaduse analüüs ja ettepanekud DMS-i paralleelimiseks. Mehhanosünteesi operatiivseks muutmise eesmärk peab loogiliselt eelnema (kui uurimisobjekt) mehhanosünteesi massiliselt paralleelseks muutmise eesmärgile.
b) Vajadusanalüüs ja ettepanekud selle kohta, kuidas ehitada kõrge täpsusega korratavuse ja stabiilsusega ülitäpseid manipulaatoreid, mille otsas võib olla mitu DOF-i ja mida saab paigutada massiivselt paralleelsetesse massiividesse, et võimaldada toorikute massiivset paralleelset DMS-töötlemist. Need võivad olla suure jõudlusega tootmissüsteemide peamised komponendid. Sellised massiivid ei ole tänapäeva SPM-id, vaid võivad olla tänapäevaste SPM-ide tehnoloogilised järeltulijad.
(c) vajavad disainianalüüsi mitmesuguste koondamisastmete kasulikkuse ja nõuete integreerimise kohta massiivselt paralleelsetesse tootmissüsteemidesse.
d) DMS-i tootmisel või nanoosade kokkupanekul kasutatavad madalama astme süsteemid peavad olema skaleeritavad suuremate süsteemide jaoks või sellise mastaapsuse võimaldamiseks ümber kujundatud.
(2) Nanoosakomplektide haaratsite ja nendega seotud süsteemide massiline paralleelsus
a) Paralleelselt töötavate miljardi töökoha osade koostemassiivide juhtimissüsteemide väljatöötamise vajadus. See hõlmab positsioneeritud juhtimissüsteemide rakendamist.
(b) Suurte osade monteerimissüsteemide töökindluse ja veamäärade vajaduse analüüs. Kasulikud oleksid massiivselt paralleelsete tootmissüsteemide tõrketaluvuse uuringud.
(3) Simulatsioonitarkvara massiivselt paralleelsete tootmissüsteemide jaoks
(a) Vaja on tarkvara, mis võimaldab nanotehaste peamiste alamsüsteemide ja süsteemide mitmetasandilisi integreeritud simulatsioone.
(b) Vajab töövoo planeerimise tarkvara massiivselt paralleelsete montaažisüsteemide jaoks.
(IV) Nanomehaanilise disaini tehnilised väljakutsed
(1) Nanoosade raamatukogude loomine
(a) Vajadus luua nanoosade raamatukogud, mis on kataloogitud CAD-vormingus.
b) Nanoosade ja nanoüksuste filosoofiad peaksid kasutama „montaaži kujundust” ja „analüüsi ja valideerimise kujundust”.
(c) Varasemate analüüside (vt eespool) tuletatud struktuuride vajadusanalüüs, et teha kindlaks, kui palju erinevaid nanoosasid ja materjalipindu võib vaja minna, et moodustada molekulaarse tootmise jaoks piisav madala tasemega struktuuriliste ja funktsionaalsete komponentide komplekt.
(2) Nanoosade, nanomasinate ja nanomasinate toimingute simuleerimine
(a) Vaja tarkvara, mis suudab usaldusväärselt modelleerida ja simuleerida teemant-masinaosade kinemaatilist tööd.
(b) vajadus töötada välja CAD/simulatsioonisüsteem, mis oleks võimeline läbi viima paljude vastastikku toimivate osade molekulaarse dünaamika simulatsiooni ning täpselt ennustama nende koostoimete usaldusväärsust ja füüsikalisi omadusi.
(c) vajavad nanomootori üksikasjalikku projekti koos vähemalt põhikomponentide atomistlike simulatsioonidega. Materjalid tuleb täpsustada ja katsetada saadud struktuuride keemilist stabiilsust. Mis tahes tüüpi metalli kasutamine võib tekitada tõsiseid pinna stabiilsuse probleeme ja kokkupuutuvate pindade nakkuvuse tõttu võib tekkida tõrkeid, kuid selle asemel võib kasutada metallgraafeene, legeeritud teemanti või muid asjakohaseid jäikaid kovalentseid materjale. Peen täpsust positsioneerimisel võib nõuda ka tunnelivoolu eksponentsiaalse sõltuvuse tõttu eraldusega.
(d) vajavad molekuliselektiivse pumba üksikasjalikku projekti koos vähemalt põhikomponentide, eriti sidumiskohtade ja ajamimehhanismide, atomistlike simulatsioonidega. Üheks kasulikuks sihtmärgiks võib olla jäikadel materjalidel põhineva selektiivse ventiili või pumbasüsteemi molekulaarkonstruktsioon, mis lubab valitud molekuli sisse lasta, jättes samas välja näiteks hapniku ja vee peaaegu 100%-lise efektiivsusega.
(e) Drexleri nanosüsteemid esitavad termilise müra mõjude hindamise raamistiku, mida seejärel rakendatakse molekulaarse positsioneerija tipus asuva positsioonimääramatuse arvutamisel ühele insenerdisainile. See näitab, et asukoha määramatuse saab muuta väiksemaks kui aatomi läbimõõt – see on selliste seadmete töötamiseks vajalik, kuid võib-olla mitte piisav tingimus. Kuid vajame ka laiemat valikut vedelas lämmastikus ja toatemperatuuril töötavate keerukamate nanomasinate molekulaarse dünaamika simulatsioone, milles nii mehhanism ise kui ka selle kinnitused on termilise müra all.
(f) Vaja on nanotriboloogia (nanoskaala hõõrdumine) hiljutise katse-ja simulatsioonitöö uue kogumi ülevaatamist, millele järgneb hinnang selle mõjudele (kui neid on) nanoskaala masinate jõudlusele. Näiteks ebaproportsionaalse grafiidi ja ebaproportsionaalse grafeeni ülimäärivus libisevaid pindu on eksperimentaalselt tõestatud. Täiendava ülevaate probleemi ulatusest ja võimalikest konkreetsetest konstruktsioonipiirangutest võib saada lihtsate, juhitavate nanomehaaniliste süsteemide kvantitatiivsete molekulaarsete dünaamiliste simulatsioonide abil. Isegi madalad hõõrdeväärtused võivad ohustada nanomasinate tööd, tekitades kõrge kohaliku kuumutamise taseme, mis võib vähendada selliste seadmete keemilist stabiilsust. Energia lekkimine masinate sõidurežiimist juhuslikesse, kõrgema sagedusega vibratsioonirežiimidesse, mis moodustavad soojuse, võib tekkida alati, kui keemilised sidemed on venitatud kaugemale, kui harmoonilise potentsiaaliga on need hästi ligilähedased (st järgides Hooke’i seadust),
(g) Vaja on kirjanduse ülevaadet, lõplikke simulatsioone ja vesiniku difusiooni mõju hindamist läbi teemoidpindade ja puistkristallide.
(h) Vaja on kirjanduse ülevaadet, lõplikke simulatsioone ja kiirguskahjustuste mõju hindamist diamondoidsete mehaaniliste struktuuride ja toimingute usaldusväärsusele.
(3) Nanofactory disain
a) vajavad nanotehase operatsioonide põhjalikke simulatsioone. Pange tähele, et kilogramm valmistatud toodet, kui see on valmistatud puhtast teemandist, sisaldaks ~50×1024 süsinikuaatomit, mis eeldaks ~50×1024 DMS-i toiminguid, eeldades, et ühe C-aatomi korral toimib ~1 DMS-i töö; ja ometi teeb tänapäevane lauaarvuti veatult ~1024 transistori operatsiooni päevas. Kui küpse tootmissüsteemi üksikuid DMS- toiminguid saab muuta sama lihtsaks ja usaldusväärseks kui primitiivseid transistori toiminguid kaasaegses elektroonilises arvutikiibis, siis võib nanotehase operatsioonidele omast keerukustaset pidada märkimisväärseks, kuid mitte mõeldamatuks.
b) Nanotehase põhiarhitektuuride kujundusruumi tuleks uurida ja hinnata, kuigi ruum on tervikliku hindamise jaoks ilmselt liiga suur. Hea nanotehase disain peaks olema alglaadimist võimaldav süsteem, selle ümberprogrammeerimine peaks olema hõlbus, võimaldama toorikutele maksimaalset geomeetrilist ligipääsu valmistamise ajal, töötamise ajal peaks olema maksimaalne töökindlus, peaks olema “ohutu” ja lahustumatu, olema “ülesehitatav”, ning see peaks võimaldama puhast tootmist ja saastevaba toimimist.
(c) vajadus uurida võimalikke nõudeid nanotehaste makroskaalaga samaväärse protsessi juhtimise ja jälgimise seadmete, sealhulgas andurite, piirilülitite jms jaoks, mis moodustavad sensoorse tagasiside silmuseid, mis võimaldavad tingimuslikku käivitamist. Kui DMS-i valmistamise järjestusi ja osade kokkupaneku järjestusi saab kavandada soovimatute rekonstruktsioonide või muude struktuuripatoloogiate minimeerimiseks või kõrvaldamiseks, siis väheneb vajadus tavapärase inline-seire järele (koos võimalike rikke režiimide arvuga).
d) vajadus uurida mitmekordsete üleliigsete tootmisliinide kavandeid, esitades tulemuste kvantifitseerimine ja disaini kompromissid, sealhulgas paralleelsete tootmisliinide arv, antud tootmisliini keskmine aeg-lagunemiseni, nanotehase optimaalsete toorikute raja optimaalne arv, tootmisvoo šuntide optimaalne arv ja asukoht jne., et teha kindlaks kogu tootmise usaldusväärsus ja tõhusus.
|
Selle lehe kirjalik sisu © 2006-19 Robert A. Freitas Jr. ja Ralph C. Merkle Pildikrediidid: Nanotehas — © John Burch, Lizard Fire Studios. Copyright applies to all images. |
Viimati muudetud 24. septembril 2019
