Mecanossíntese - Mechanosynthesis
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A mecanossíntese é um termo para sínteses químicas hipotéticas em que os resultados da reação são determinados pelo uso de restrições mecânicas para direcionar moléculas reativas para locais moleculares específicos. Atualmente, não há sínteses químicas não biológicas que alcancem esse objetivo. Algum posicionamento atômico foi alcançado com microscópios de tunelamento de varredura .
Introdução
Na síntese química convencional ou quimiossíntese , as moléculas reativas se encontram por meio de movimento térmico aleatório em um líquido ou vapor. Em um processo hipotético de mecanossíntese, moléculas reativas seriam anexadas a sistemas mecânicos moleculares, e seus encontros resultariam de movimentos mecânicos que os aproximam em sequências planejadas, posições e orientações. Prevê-se que a mecanossíntese evitaria reações indesejadas, mantendo os reagentes potenciais separados, e favoreceria fortemente as reações desejadas mantendo os reagentes juntos em orientações ótimas para muitos ciclos de vibração molecular . Em biologia, o ribossomo fornece um exemplo de dispositivo mecanossintético programável.
Uma forma não biológica de mecanoquímica foi realizada em temperaturas criogênicas usando microscópios de tunelamento de varredura . Até agora, esses dispositivos fornecem a abordagem mais próxima às ferramentas de fabricação para engenharia molecular . A exploração mais ampla da mecanossíntese aguarda uma tecnologia mais avançada para a construção de sistemas de máquinas moleculares , com sistemas semelhantes a ribossomos como um objetivo inicial atraente.
Muito do entusiasmo em relação à mecanossíntese avançada diz respeito ao seu uso potencial na montagem de dispositivos em escala molecular . Essas técnicas parecem ter muitas aplicações na medicina, aviação, extração de recursos, manufatura e guerra.
A maioria das explorações teóricas de máquinas avançadas desse tipo se concentraram no uso de carbono , por causa das muitas ligações fortes que ele pode formar, os muitos tipos de química que essas ligações permitem e a utilidade dessas ligações em aplicações médicas e mecânicas. O carbono forma diamante, por exemplo, que, se disponível a baixo custo, seria um excelente material para muitas máquinas.
Tem sido sugerido, notadamente por K. Eric Drexler , que a mecanossíntese será fundamental para a fabricação molecular baseada em nanofábricas capazes de construir objetos macroscópicos com precisão atômica. O potencial para isso foi contestado, notadamente pelo Prêmio Nobel Richard Smalley (que propôs e depois criticou uma abordagem impraticável baseada em dedos pequenos).
A Nanofactory Collaboration, fundada por Robert Freitas e Ralph Merkle em 2000, é um esforço contínuo concentrado envolvendo 23 pesquisadores de 10 organizações e 4 países que está desenvolvendo uma agenda de pesquisa prática especificamente voltada para a mecanossíntese de diamante posicionalmente controlada e o desenvolvimento da nanofábrica de diamondoide.
Na prática, levar exatamente uma molécula para um local conhecido na ponta do microscópio é possível, mas tem se mostrado difícil de automatizar. Uma vez que produtos práticos requerem pelo menos várias centenas de milhões de átomos, esta técnica ainda não se mostrou prática na formação de um produto real.
O objetivo de uma linha de pesquisa de mecanomontagem concentra-se em superar esses problemas por calibração e seleção de reações de síntese apropriadas. Alguns sugerem a tentativa de desenvolver uma máquina-ferramenta especializada, muito pequena (cerca de 1.000 nanômetros de lado), que possa construir cópias de si mesma usando meios mecanoquímicos, sob o controle de um computador externo. Na literatura, tal ferramenta é chamada de montador ou montador molecular. Uma vez que os montadores existem, o crescimento geométrico (direcionando cópias para fazer cópias) pode reduzir o custo dos montadores rapidamente. O controle por um computador externo deve permitir que grandes grupos de montadores construam projetos grandes e úteis com precisão atômica. Um desses projetos combinaria correias transportadoras de nível molecular com montadores montados permanentemente para produzir uma fábrica.
Em parte, para resolver isso e outras questões relacionadas sobre os perigos de acidentes industriais e temores populares de eventos descontrolados equivalentes aos desastres de Chernobyl e Bhopal e a questão mais remota de ecofagia , gosma cinza e gosma verde (vários desastres potenciais decorrentes de replicadores em fuga, que poderia ser construída usando mecanossíntese) a UK Royal Society e a UK Royal Academy of Engineering em 2003 encomendaram um estudo para lidar com essas questões e implicações sociais e ecológicas maiores, liderado pela professora de engenharia mecânica Ann Dowling. Isso foi antecipado por alguns para assumir uma posição forte sobre esses problemas e potenciais - e sugerir qualquer caminho de desenvolvimento para uma teoria geral da chamada mecanossíntese. No entanto, o relatório nanotecnológico da Royal Society não abordou a fabricação molecular, exceto para descartá-la junto com a gosma cinza.
As propostas técnicas atuais para nanofábricas não incluem nanorrobôs auto-replicantes, e as diretrizes éticas recentes proibiriam o desenvolvimento de capacidades de auto-replicação irrestritas em nanomáquinas.
Mecanossíntese de diamante
Há um corpo crescente de trabalhos teóricos revisados por pares sobre a síntese de diamante por meio da remoção / adição mecânica de átomos de hidrogênio e depósito de átomos de carbono (um processo conhecido como mecanossíntese do diamante ou DMS). Por exemplo, o artigo de 2006 neste esforço de pesquisa contínuo por Freitas, Merkle e seus colaboradores relata que o motivo de dica de ferramenta de mecanossíntese mais estudado (DCB6Ge) coloca com sucesso um dímero de carbono C 2 em uma superfície de diamante C (110) a 300 K ( temperatura ambiente) e 80 K ( temperatura do nitrogênio líquido ), e que a variante de silício (DCB6Si) também funciona a 80 K, mas não a 300 K. Essas dicas de ferramentas devem ser usadas apenas em ambientes cuidadosamente controlados (por exemplo, vácuo). Os limites máximos aceitáveis para erros de deslocamento translacional e rotacional da dica de ferramenta são relatados no artigo III - as dicas de ferramenta devem ser posicionadas com grande precisão para evitar a colagem incorreta do dímero. Mais de 100.000 horas de CPU foram investidas neste estudo.
O motivo da dica de ferramenta DCB6Ge, inicialmente descrito em uma Conferência de Foresight em 2002, foi a primeira dica de ferramenta completa já proposta para a mecanossíntese de diamante e continua sendo o único motivo de dica de ferramenta que foi simulado com sucesso para sua função pretendida em uma superfície de diamante de 200 átomos. Embora um artigo anterior forneça uma velocidade de colocação prevista de 1 dímero por segundo para esta dica de ferramenta, este limite foi imposto pela velocidade lenta de recarga da ferramenta usando um método de recarga ineficiente e não é baseado em qualquer limitação inerente na velocidade de uso de um dica carregada. Além disso, nenhum meio de detecção foi proposto para discriminar entre os três resultados possíveis de uma tentativa de colocação de dímero - deposição no local correto, deposição no local errado e falha em colocar o dímero em tudo - porque a proposta inicial era posicionar a dica de ferramenta por cálculo morto, com a reação adequada assegurada pelo projeto de energia química apropriada e forças de ligação relativas para a interação ponta da ferramenta-superfície.
Um trabalho teórico mais recente analisa um conjunto completo de nove ferramentas moleculares feitas de hidrogênio, carbono e germânio, capazes de (a) sintetizar todas as ferramentas no conjunto (b) recarregar todas as ferramentas no conjunto a partir de moléculas de matéria-prima apropriadas e (c) sintetizar uma ampla gama de hidrocarbonetos rígidos (diamante, grafite, fulerenos e semelhantes). Todas as reações necessárias são analisadas usando métodos de química quântica ab initio padrão.
Pesquisas adicionais para considerar dicas alternativas exigirão química computacional demorada e difícil trabalho de laboratório. No início dos anos 2000, um arranjo experimental típico era anexar uma molécula à ponta de um microscópio de força atômica e, então, usar as habilidades de posicionamento preciso do microscópio para empurrar a molécula da ponta para outra em um substrato. Visto que os ângulos e distâncias podem ser controlados com precisão e a reação ocorre no vácuo, novos compostos químicos e arranjos são possíveis.
História
A técnica de mover átomos individuais mecanicamente foi proposta por Eric Drexler em seu livro de 1986, The Engines of Creation .
Em 1988, pesquisadores da IBM Zurique Research Institute 's escrito com sucesso as letras 'IBM' em átomos de xenônio sobre uma superfície de cobre criogênico, grosseiramente validar a abordagem. Desde então, vários projetos de pesquisa se comprometeram a usar técnicas semelhantes para armazenar dados de computador de maneira compacta. Mais recentemente, a técnica foi usada para explorar novas químicas físicas, às vezes usando lasers para excitar as pontas para estados de energia específicos, ou examinar a química quântica de ligações químicas específicas.
Em 1999, uma metodologia experimentalmente comprovada chamada varredura orientada a recursos (FOS) foi sugerida. A metodologia de varredura orientada a recursos permite controlar com precisão a posição da sonda de um microscópio de sonda de varredura (SPM) em uma superfície atômica em temperatura ambiente. A metodologia sugerida oferece suporte ao controle totalmente automático de instrumentos de sonda única e múltipla na solução de tarefas de mecanossíntese e nanofabricação de baixo para cima .
Em 2003, Oyabu et al. relataram o primeiro caso de formação e quebra de ligações covalentes de base puramente mecânica, ou seja, a primeira demonstração experimental da verdadeira mecanossíntese - embora com átomos de silício em vez de átomos de carbono.
Em 2005, foi depositado o primeiro pedido de patente sobre a mecanossíntese do diamante.
Em 2008, uma doação de US $ 3,1 milhões foi proposta para financiar o desenvolvimento de um sistema de mecanossíntese de prova de princípio.
Veja também nanotecnologia molecular , uma explicação mais geral dos produtos possíveis e discussão de outras técnicas de montagem.