Nanotecnologia molecular - Molecular nanotechnology

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Nanotecnologia molecular
A cinesina é um complexo proteico que funciona como uma máquina biológica molecular . Ele usa a dinâmica do domínio da proteína em nanoescalas
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Nanotecnologia molecular

Nanotecnologia molecular ( MNT ) é uma tecnologia baseada na capacidade de construir estruturas para especificações atômicas complexas por meio de mecanossíntese . Isso é diferente dos materiais em nanoescala . Com base na visão de Richard Feynman de fábricas em miniatura usando nanomáquinas para construir produtos complexos ( incluindo nanomáquinas adicionais ), esta forma avançada de nanotecnologia (ou fabricação molecular ) faria uso de mecanossíntese controlada posicionalmente guiada por sistemas de máquinas moleculares . O MNT envolveria a combinação de princípios físicos demonstrados pela biofísica , química , outras nanotecnologias e a maquinaria molecular da vida com os princípios da engenharia de sistemas encontrados nas modernas fábricas em macroescala.

Um ribossomo é uma máquina biológica .

Introdução

Enquanto a química convencional usa processos inexatos para obter resultados inexatos, e a biologia explora processos inexatos para obter resultados definitivos, a nanotecnologia molecular empregaria processos definitivos originais para obter resultados definitivos. O desejo na nanotecnologia molecular seria equilibrar as reações moleculares em locais e orientações controlados por posição para obter as reações químicas desejadas e, então, construir sistemas por meio da montagem adicional dos produtos dessas reações.

Um roteiro para o desenvolvimento de MNT é um objetivo de um projeto de tecnologia de base ampla liderado por Battelle (o gerente de vários Laboratórios Nacionais dos EUA) e o Foresight Institute . O roteiro foi originalmente programado para ser concluído no final de 2006, mas foi lançado em janeiro de 2008. A Nanofactory Collaboration é um esforço contínuo mais focado envolvendo 23 pesquisadores de 10 organizações e 4 países que está desenvolvendo uma agenda de pesquisa prática especificamente voltada para o diamante controlado posicionalmente mecanossíntese e desenvolvimento de nanofábricas de diamantóides. Em agosto de 2005, uma força-tarefa composta por mais de 50 especialistas internacionais de vários campos foi organizada pelo Center for Responsible Nanotechnology para estudar as implicações sociais da nanotecnologia molecular.

Aplicativos e recursos projetados

Materiais inteligentes e nanosensores

Qualquer tipo de material projetado e projetado em escala nanométrica para uma tarefa específica é um material inteligente . Se os materiais pudessem ser projetados para responder de maneira diferente a várias moléculas, por exemplo, drogas artificiais poderiam reconhecer e tornar inertes vírus específicos . estruturas de auto-cura iria reparar pequenas lágrimas em uma superfície naturalmente, da mesma forma como a pele humana.

Um nanossensor seria semelhante a um material inteligente, envolvendo um pequeno componente dentro de uma máquina maior que reagiria ao ambiente e mudaria de alguma forma fundamental e intencional. Um exemplo muito simples: um fotossensor pode medir passivamente a luz incidente e descarregar sua energia absorvida como eletricidade quando a luz passa acima ou abaixo de um limite especificado, enviando um sinal para uma máquina maior. Esse sensor supostamente custaria menos e consumiria menos energia do que um sensor convencional e, ainda assim, funcionaria de maneira útil em todas as mesmas aplicações - por exemplo, acendendo as luzes do estacionamento ao escurecer.

Embora materiais inteligentes e nanosensores exemplifiquem aplicações úteis de MNT, eles empalidecem em comparação com a complexidade da tecnologia mais popularmente associada ao termo: o nanorrobô replicante .

Replicando nanorrobôs

A nanofatura MNT está popularmente ligada à ideia de enxames de robôs coordenados em nanoescala trabalhando juntos, uma popularização de uma proposta inicial de K. Eric Drexler em suas discussões de 1986 sobre MNT , mas substituída em 1992 . Nesta proposta inicial, nanorrobôs suficientemente capazes construiriam mais nanorrobôs em um ambiente artificial contendo blocos de construção moleculares especiais.

Os críticos duvidam tanto da viabilidade dos nanorrobôs auto-replicantes quanto da viabilidade do controle se os nanorrobôs auto-replicantes pudessem ser alcançados: eles citam a possibilidade de mutações removendo qualquer controle e favorecendo a reprodução de variações patogênicas mutantes. Os defensores abordam a primeira dúvida apontando que o primeiro replicador de máquina autônomo em macroescala, feito de blocos de Lego , foi construído e operado experimentalmente em 2002. Embora existam vantagens sensoriais presentes na macroescala em comparação com o sensorium limitado disponível em nanoescala, propostas para Os sistemas de fabricação mecanossintéticos em nanoescala com controle posicional empregam cálculo morto de dicas de ferramentas combinadas com um projeto de sequência de reação confiável para garantir resultados confiáveis, portanto, um sensorium limitado não é uma desvantagem; considerações semelhantes se aplicam à montagem posicional de pequenas nanopartes. Os defensores abordam a segunda dúvida argumentando que as bactérias (necessariamente) evoluíram para evoluir, enquanto a mutação dos nanorrobôs poderia ser ativamente evitada por técnicas comuns de correção de erros . Ideias semelhantes são defendidas no Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology, e um mapa do espaço de design do replicador 137-dimensional publicado recentemente por Freitas e Merkle fornece vários métodos propostos pelos quais os replicadores poderiam, em princípio, ser controlados com segurança por um bom design.

No entanto, o conceito de supressão de mutação levanta a questão: como a evolução do design pode ocorrer em nanoescala sem um processo de mutação aleatória e seleção determinística? Os críticos argumentam que os defensores do MNT não forneceram um substituto para tal processo de evolução nesta arena em nanoescala, onde os processos convencionais de seleção baseados em sensoriais estão faltando. Os limites do sensório disponível em nanoescala podem tornar difícil ou impossível separar sucessos de fracassos. Os defensores argumentam que a evolução do design deve ocorrer deterministicamente e estritamente sob controle humano, usando o paradigma de engenharia convencional de modelagem, design, prototipagem, teste, análise e redesenho.

Em qualquer caso, desde 1992 as propostas técnicas para MNT não incluem nanorrobôs auto-replicantes, e as recentes diretrizes éticas apresentadas por defensores do MNT proíbem a auto-replicação irrestrita.

Nanorrobôs médicos

Uma das aplicações mais importantes da MNT seria a nanorrobótica médica ou nanomedicina , uma área iniciada por Robert Freitas em vários livros e artigos. A capacidade de projetar, construir e implantar um grande número de nanorrobôs médicos possibilitaria, no mínimo, a eliminação rápida de doenças e a recuperação confiável e relativamente indolor de traumas físicos. Os nanorrobôs médicos também podem tornar possível a correção conveniente de defeitos genéticos e ajudar a garantir uma vida útil muito maior. Mais controversamente, os nanorrobôs médicos podem ser usados ​​para aumentar as capacidades humanas naturais . Um estudo relatou como condições como tumores, arteriosclerose , coágulos sanguíneos que levam a derrames, acúmulo de tecido cicatricial e bolsas localizadas de infecção podem ser tratadas com o emprego de nanorrobôs médicos.

Névoa utilitária

Diagrama de um foglet de 100 micrômetros

Outra proposta de aplicação da nanotecnologia molecular é a " névoa utilitária " - na qual uma nuvem de robôs microscópicos em rede (mais simples do que montadores ) mudaria sua forma e propriedades para formar objetos macroscópicos e ferramentas de acordo com comandos de software. Em vez de modificar as práticas atuais de consumo de bens materiais em diferentes formas, a névoa da utilidade simplesmente substituiria muitos objetos físicos.

Óptica Phased-array

Ainda outra aplicação proposta de MNT seria o phased-array optics (PAO). No entanto, este parece ser um problema abordável pela tecnologia em nanoescala comum. PAO usaria o princípio da tecnologia de milímetro phased array, mas em comprimentos de onda ópticos. Isso permitiria a duplicação de qualquer tipo de efeito óptico, mas virtualmente. Os usuários podem solicitar hologramas, amanheceres e entardeceres ou lasers flutuantes conforme a vontade. Os sistemas PAO foram descritos em BC Crandall's Nanotechnology: Molecular Speculations on Global Abundance no artigo de Brian Wowk "Phased-Array Optics."

Potenciais impactos sociais

A manufatura molecular é um potencial futuro subcampo da nanotecnologia que tornaria possível construir estruturas complexas com precisão atômica. A fabricação molecular requer avanços significativos em nanotecnologia, mas uma vez alcançada pode produzir produtos altamente avançados a baixo custo e em grandes quantidades em nanofábricas pesando um quilograma ou mais. Quando as nanofábricas ganham a capacidade de produzir outras nanofábricas, a produção pode ser limitada apenas por fatores relativamente abundantes, como materiais de entrada, energia e software.

Os produtos de manufatura molecular podem variar de versões mais baratas e produzidas em massa de produtos conhecidos de alta tecnologia a novos produtos com recursos adicionais em muitas áreas de aplicação. Algumas aplicações sugeridas são materiais inteligentes avançados , nanosensores, nanorrobôs médicos e viagens espaciais. Além disso, a manufatura molecular poderia ser usada para produzir armas duráveis ​​e altamente avançadas, o que é uma área de especial preocupação em relação ao impacto da nanotecnologia. Sendo equipados com computadores e motores compactos, eles poderiam ser cada vez mais autônomos e ter uma grande variedade de capacidades.

De acordo com Chris Phoenix e Mike Treder do Center for Responsible Nanotechnology , bem como Anders Sandberg do Future of Humanity Institute, a fabricação molecular é a aplicação da nanotecnologia que representa o risco catastrófico global mais significativo . Vários pesquisadores da nanotecnologia afirmam que a maior parte do risco da nanotecnologia vem do potencial de levar à guerra, corridas armamentistas e governos globais destrutivos. Várias razões foram sugeridas porque a disponibilidade de armamento nanotecnológico pode com probabilidade significativa levar a corridas armamentistas instáveis ​​(em comparação com, por exemplo, corridas armamentistas nucleares): (1) Um grande número de jogadores pode ser tentado a entrar na corrida desde o limite para fazê-lo é baixo; (2) a capacidade de fazer armas com manufatura molecular será barata e fácil de esconder; (3) portanto, a falta de percepção das capacidades das outras partes pode levar os jogadores a se armarem por precaução ou a lançar ataques preventivos; (4) a fabricação molecular pode reduzir a dependência do comércio internacional, um fator potencial de promoção da paz; (5) guerras de agressão podem representar uma ameaça econômica menor para o agressor, uma vez que a fabricação é barata e os humanos podem não ser necessários no campo de batalha.

Visto que a autorregulação por todos os atores estatais e não estatais parece difícil de alcançar, medidas para mitigar os riscos relacionados à guerra têm sido propostas principalmente na área de cooperação internacional . A infraestrutura internacional pode ser expandida dando mais soberania ao nível internacional. Isso poderia ajudar a coordenar os esforços para o controle de armas. As instituições internacionais dedicadas especificamente à nanotecnologia (talvez analogamente à Agência Internacional de Energia Atômica IAEA ) ou ao controle geral de armas também podem ser projetadas. Pode-se também fazer em conjunto o progresso tecnológico diferencial em tecnologias defensivas, uma política que os jogadores geralmente deveriam favorecer. O Center for Responsible Nanotechnology também sugere algumas restrições técnicas. A transparência aprimorada em relação às capacidades tecnológicas pode ser outro facilitador importante para o controle de armas.

Uma gosma cinza é outro cenário catastrófico, que foi proposto por Eric Drexler em seu livro de 1986, Engines of Creation , foi analisado por Freitas em "Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, with Public Policy Recommendations" e tem sido um tema popular mídia e ficção. Este cenário envolve pequenos robôs auto-replicantes que consomem toda a biosfera, usando-a como fonte de energia e blocos de construção. Especialistas em nanotecnologia, incluindo Drexler, agora desacreditam o cenário. De acordo com Chris Phoenix, "a chamada gosma cinza só poderia ser o produto de um processo de engenharia difícil e deliberado, não um acidente". Com o advento da nanobiotecnologia, um cenário diferente denominado gosma verde foi encaminhado. Aqui, a substância maligna não são os nanorrobôs, mas sim organismos biológicos que se auto-replicam , desenvolvidos por meio da nanotecnologia.

Benefícios

A nanotecnologia (ou nanotecnologia molecular para se referir mais especificamente aos objetivos discutidos aqui) nos permitirá continuar as tendências históricas na fabricação até os limites fundamentais impostos pelas leis físicas. Isso nos permitirá fazer computadores moleculares extraordinariamente poderosos. Isso nos permitirá fabricar materiais cinquenta vezes mais leves do que o aço ou a liga de alumínio, mas com a mesma resistência. Seremos capazes de fazer jatos, foguetes, carros ou mesmo cadeiras que, pelos padrões de hoje, seriam notavelmente leves, resistentes e baratos. Ferramentas cirúrgicas moleculares, guiadas por computadores moleculares e injetadas na corrente sanguínea, podem encontrar e destruir células cancerosas ou bactérias invasoras, desobstruir artérias ou fornecer oxigênio quando a circulação é prejudicada.

A nanotecnologia substituirá toda a nossa base de fabricação por uma forma nova, radicalmente mais precisa, radicalmente mais barata e radicalmente mais flexível de fabricar produtos. O objetivo não é apenas substituir as atuais fábricas de chips de computador, mas também substituir as linhas de montagem de carros, televisores, telefones, livros, ferramentas cirúrgicas, mísseis, estantes de livros, aviões, tratores e todo o resto. O objetivo é uma mudança generalizada na manufatura, uma mudança que não deixará praticamente nenhum produto intocado. O progresso econômico e a prontidão militar no século 21 dependerão fundamentalmente da manutenção de uma posição competitiva em nanotecnologia.

Apesar do atual estágio inicial de desenvolvimento da nanotecnologia e da nanotecnologia molecular, há muita preocupação em torno do impacto previsto do MNT na economia e no direito . Quaisquer que sejam os efeitos exatos, o MNT, se alcançado, tenderia a reduzir a escassez de produtos manufaturados e a tornar muitos mais produtos (como alimentos e produtos de saúde) manufaturáveis.

A MNT deve possibilitar recursos nanomédicos capazes de curar qualquer condição médica ainda não curada por avanços em outras áreas. Boa saúde seria comum, e problemas de saúde de qualquer forma seriam tão raros quanto a varíola e o escorbuto são hoje. Mesmo a criónica seria viável, pois o tecido criopreservado poderia ser totalmente reparado.

Riscos

A nanotecnologia molecular é uma das tecnologias que alguns analistas acreditam poder levar a uma singularidade tecnológica , na qual o crescimento tecnológico se acelerou a ponto de ter efeitos imprevisíveis. Alguns efeitos podem ser benéficos, enquanto outros podem ser prejudiciais, como a utilização da nanotecnologia molecular por uma inteligência artificial geral hostil . Alguns acham que a nanotecnologia molecular teria riscos assustadores. É concebível que possibilite armas convencionais mais baratas e destrutivas . Além disso, a nanotecnologia molecular pode permitir armas de destruição em massa que podem se auto-replicar, como os vírus e as células cancerosas fazem quando atacam o corpo humano. Os comentaristas geralmente concordam que, no caso de a nanotecnologia molecular ser desenvolvida, sua autorreplicação deveria ser permitida apenas em condições muito controladas ou "inerentemente seguras".

Existe o medo de que robôs nanomecânicos, se alcançados e projetados para se auto-replicar usando materiais que ocorrem naturalmente (uma tarefa difícil), possam consumir todo o planeta em sua fome por matérias-primas, ou simplesmente excluir a vida natural, competindo com ela por energia (como aconteceu historicamente quando as algas azul-esverdeadas apareceram e superaram as formas de vida anteriores). Alguns comentadores referiram-se a esta situação como o cenário da " gosma cinzenta " ou da " ecofagia ". K. Eric Drexler considera um cenário de "gosma cinza" acidental extremamente improvável e diz isso em edições posteriores de Engines of Creation .

Diante dessa percepção de perigo potencial, o Foresight Institute , fundado por Drexler, preparou um conjunto de diretrizes para o desenvolvimento ético da nanotecnologia. Isso inclui a proibição de pseudo-organismos que se auto-reproduzem e buscam alimentos livremente na superfície da Terra, pelo menos, e possivelmente em outros lugares.

Problemas técnicos e críticas

A viabilidade das tecnologias básicas analisadas em Nanosystems foi o assunto de uma revisão científica formal pela US National Academy of Sciences, e também tem sido o foco de extenso debate na internet e na imprensa popular.

Estudo e recomendações da Academia Nacional de Ciências dos EUA

Em 2006, a Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos divulgou o relatório de um estudo de fabricação molecular como parte de um relatório mais longo, Uma Questão de Tamanho: Revisão Trienal da Iniciativa Nacional de Nanotecnologia. O comitê de estudo revisou o conteúdo técnico dos nanossistemas e em sua conclusão afirma que nenhuma análise teórica atual pode ser considerada definitiva em relação a várias questões de desempenho potencial do sistema, e que os caminhos ideais para a implementação de sistemas de alto desempenho não podem ser previstos com confiança. Recomenda pesquisas experimentais para avançar o conhecimento nesta área:

"Embora cálculos teóricos possam ser feitos hoje, a faixa eventualmente atingível de ciclos de reação química, taxas de erro, velocidade de operação e eficiências termodinâmicas de tais sistemas de fabricação de baixo para cima não podem ser previstos com segurança neste momento. Assim, a perfeição e A complexidade dos produtos manufaturados, embora possam ser calculados em teoria, não pode ser prevista com confiança. Finalmente, os caminhos de pesquisa ideais que podem levar a sistemas que excedem em muito as eficiências termodinâmicas e outras capacidades dos sistemas biológicos não podem ser previstos com segurança neste momento. O financiamento de pesquisas que se baseia na capacidade dos investigadores de produzir demonstrações experimentais que se vinculam a modelos abstratos e orientam a visão de longo prazo é o mais apropriado para atingir esse objetivo. "

Montadores versus nanofábricas

Um título de seção em Engines of Creation de Drexler diz "Montadores Universais", e o texto a seguir fala de vários tipos de montadores que, coletivamente, poderiam hipoteticamente "construir quase tudo que as leis da natureza permitem que exista." O colega de Drexler, Ralph Merkle , observou que, ao contrário da lenda generalizada, Drexler nunca afirmou que sistemas montadores poderiam construir absolutamente qualquer estrutura molecular. As notas finais no livro de Drexler explicam a qualificação "quase": "Por exemplo, uma estrutura delicada pode ser projetada que, como um arco de pedra, se autodestruiria a menos que todas as suas peças já estivessem no lugar. Se não houvesse espaço no projeto para a colocação e remoção de um andaime, então a estrutura pode ser impossível de construir. No entanto, poucas estruturas de interesse prático parecem apresentar tal problema. "

Em 1992, Drexler publicou Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation , uma proposta detalhada para sintetizar estruturas covalentes rígidas usando uma fábrica de mesa. Estruturas diamondoides e outras estruturas covalentes rígidas, se alcançadas, teriam uma ampla gama de aplicações possíveis, indo muito além da tecnologia MEMS atual . O esboço de um caminho foi proposto em 1992 para a construção de uma fábrica de mesa na ausência de um montador. Outros pesquisadores começaram a avançar caminhos provisórios e alternativos propostos para isso nos anos desde que Nanosystems foi publicado.

Nanotecnologia dura versus soft

Em 2004, Richard Jones escreveu Soft Machines (nanotecnologia e vida), um livro para o público leigo publicado pela Universidade de Oxford . Neste livro, ele descreve a nanotecnologia radical (conforme defendida por Drexler) como uma ideia determinística / mecanicista de máquinas nano projetadas que não leva em conta os desafios da nanoescala, como umidade , viscosidade , movimento browniano e alta viscosidade . Ele também explica o que é nanotecnologia leve ou, mais apropriadamente, nanotecnologia biomimética, que é o caminho a seguir, se não a melhor maneira, de projetar nanodispositivos funcionais que possam lidar com todos os problemas em nanoescala. Pode-se pensar em nanotecnologia leve como o desenvolvimento de nanomáquinas que usa as lições aprendidas com a biologia sobre como as coisas funcionam, a química para projetar precisamente esses dispositivos e a física estocástica para modelar o sistema e seus processos naturais em detalhes.

O debate Smalley-Drexler

Artigo principal: Debate Drexler-Smalley sobre nanotecnologia molecular

Vários pesquisadores, incluindo o vencedor do Prêmio Nobel Dr. Richard Smalley (1943–2005), atacaram a noção de montadores universais, levando a uma refutação de Drexler e colegas e, eventualmente, a uma troca de cartas. Smalley argumentou que a química é extremamente complicada, as reações são difíceis de controlar e que um montador universal é ficção científica. Drexler e colegas, no entanto, observaram que Drexler nunca propôs montadores universais capazes de fazer absolutamente qualquer coisa, mas propôs montadores mais limitados, capazes de fazer uma grande variedade de coisas. Eles desafiaram a relevância dos argumentos de Smalley para as propostas mais específicas avançadas em Nanosistemas . Além disso, Smalley argumentou que quase toda a química moderna envolve reações que ocorrem em um solvente (geralmente água ), porque as pequenas moléculas de um solvente contribuem com muitas coisas, como reduzir as energias de ligação para estados de transição. Uma vez que quase toda a química conhecida requer um solvente, Smalley sentiu que a proposta de Drexler de usar um ambiente de alto vácuo não era viável. No entanto, Drexler aborda isso em Nanosistemas, mostrando matematicamente que catalisadores bem projetados podem fornecer os efeitos de um solvente e podem ser fundamentalmente ainda mais eficientes do que uma reação solvente / enzima jamais poderia ser. É digno de nota que, ao contrário da opinião de Smalley de que as enzimas requerem água, "não apenas as enzimas funcionam vigorosamente em meio orgânico anidro, mas neste meio não natural elas adquirem propriedades notáveis, como estabilidade bastante aprimorada, substrato radicalmente alterado e especificidades enantioméricas , memória molecular e a capacidade de catalisar reações incomuns. "

Redefinição da palavra "nanotecnologia"

Para o futuro, alguns meios devem ser encontrados para a evolução do projeto MNT em nanoescala que imita o processo de evolução biológica em escala molecular. A evolução biológica prossegue por variação aleatória nas médias do conjunto de organismos combinada com a seleção das variantes menos bem-sucedidas e reprodução das variantes mais bem-sucedidas, e o projeto de engenharia em macroescala também prossegue por um processo de evolução do projeto da simplicidade à complexidade, conforme estabelecido de forma um tanto satírica por John Gall : "Um sistema complexo que funciona invariavelmente evoluiu de um sistema simples que funcionou ... Um sistema complexo projetado do zero nunca funciona e não pode ser corrigido para fazê-lo funcionar. Você tem que começar de novo , começando com um sistema que funciona. " É necessário um avanço em MNT que prossiga de conjuntos atômicos simples que podem ser construídos com, por exemplo, um STM para sistemas MNT complexos por meio de um processo de evolução de design. Uma desvantagem neste processo é a dificuldade de ver e manipular em nanoescala em comparação com a macroescala, o que torna difícil a seleção determinística de testes bem-sucedidos; em contraste, a evolução biológica prossegue por meio da ação do que Richard Dawkins chamou de "relojoeiro cego", compreendendo variação molecular aleatória e reprodução / extinção determinística.

Atualmente, em 2007, a prática da nanotecnologia abrange tanto abordagens estocásticas (em que, por exemplo, a química supramolecular cria calças impermeáveis) e abordagens determinísticas em que moléculas únicas (criadas por química estocástica) são manipuladas em superfícies de substrato (criadas por métodos de deposição estocástica) por métodos determinísticos compreendendo empurrá-los com sondas STM ou AFM e fazer com que as reações de ligação ou clivagem simples ocorram. O sonho de uma nanotecnologia molecular complexa e determinística permanece indefinido. Desde meados da década de 1990, milhares de cientistas de superfície e tecnocratas de filme fino aderiram ao movimento da nanotecnologia e redefiniram suas disciplinas como nanotecnologia. Isso causou muita confusão no campo e gerou milhares de artigos "nano" na literatura revisada por pares. A maioria desses relatórios são extensões da pesquisa mais comum feita nos campos pai.

A viabilidade das propostas em Nanosistemas

Top, um propulsor molecular. Abaixo, um sistema de engrenagem planetária molecular . A viabilidade de dispositivos como esses tem sido questionada.

A viabilidade das propostas de Drexler depende em grande parte, portanto, de se projetos como os dos Nanosistemas poderiam ser construídos na ausência de um montador universal para construí-los e funcionariam conforme descrito. Os defensores da nanotecnologia molecular frequentemente afirmam que nenhum erro significativo foi descoberto nos nanossistemas desde 1992. Até mesmo alguns críticos admitem que "Drexler considerou cuidadosamente uma série de princípios físicos subjacentes aos aspectos de 'alto nível' dos nanossistemas que ele propõe e, de fato, pensei com algum detalhe "sobre algumas questões.

Outros críticos afirmam, no entanto, que a Nanosystems omite detalhes químicos importantes sobre a 'linguagem de máquina' de baixo nível da nanotecnologia molecular. Eles também afirmam que muito da outra química de baixo nível em Nanosistemas requer um extenso trabalho adicional, e que os projetos de alto nível de Drexler, portanto, baseiam-se em fundamentos especulativos. Esse trabalho posterior recente de Freitas e Merkle visa fortalecer essas bases, preenchendo as lacunas existentes na química de baixo nível.

Drexler argumenta que podemos precisar esperar até que nossa nanotecnologia convencional melhore antes de resolver esses problemas: "A fabricação molecular resultará de uma série de avanços em sistemas de máquinas moleculares, assim como o primeiro pouso na Lua resultou de uma série de avanços em foguetes de combustível líquido Estamos agora em uma posição como a da Sociedade Interplanetária Britânica dos anos 1930, que descreveu como foguetes de combustível líquido de vários estágios poderiam alcançar a Lua e apontou os foguetes primitivos como ilustrações do princípio básico. " No entanto, Freitas e Merkle argumentam que um esforço focado para alcançar a mecanossíntese do diamante (DMS) pode começar agora, usando a tecnologia existente, e pode alcançar o sucesso em menos de uma década se sua "abordagem direta para DMS for perseguida em vez de uma abordagem mais tortuosa abordagem de desenvolvimento que busca implementar tecnologias de manufatura molecular não-diamondoide menos eficazes antes de progredir para o diamondoide ".

Para resumir os argumentos contra a viabilidade: Primeiro, os críticos argumentam que uma barreira primária para alcançar a nanotecnologia molecular é a falta de uma maneira eficiente de criar máquinas em escala molecular / atômica, especialmente na ausência de um caminho bem definido em direção a uma replicando montador ou nanofábrica diamondoide. Os defensores respondem que um caminho de pesquisa preliminar que leva a uma nanofábrica de diamondoide está sendo desenvolvido.

Uma segunda dificuldade em alcançar a nanotecnologia molecular é o design. O projeto manual de uma engrenagem ou rolamento no nível dos átomos pode levar de algumas a várias semanas. Enquanto Drexler, Merkle e outros criaram designs de peças simples, nenhum esforço de design abrangente para algo que se aproximasse da complexidade de um Ford Modelo T foi tentado. Os defensores respondem que é difícil empreender um esforço de design abrangente na ausência de financiamento significativo para esses esforços e que, apesar dessa desvantagem, muito design-ahead útil foi realizado com novas ferramentas de software que foram desenvolvidas, por exemplo, na Nanorex.

No último relatório A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative publicado pela National Academies Press em dezembro de 2006 (cerca de vinte anos após a publicação de Engines of Creation), nenhum caminho claro em direção à nanotecnologia molecular pôde ser visto. de acordo com a conclusão na página 108 desse relatório: "Embora cálculos teóricos possam ser feitos hoje, a faixa eventualmente atingível de ciclos de reação química, taxas de erro, velocidade de operação e eficiências termodinâmicas de tais sistemas de fabricação de baixo para cima não podem ser previstos com segurança neste momento. Assim, a perfeição e complexidade eventualmente atingíveis dos produtos manufaturados, embora possam ser calculados em teoria, não podem ser previstos com confiança. Finalmente, os caminhos de pesquisa ideais que podem levar a sistemas que excedem em muito as eficiências termodinâmicas e outras capacidades de sistemas biológicos não pode ser previsto com segurança no momento. O financiamento de pesquisas que se baseia em a capacidade dos investigadores de produzir demonstrações experimentais que se vinculem a modelos abstratos e guiem a visão de longo prazo é a mais apropriada para atingir esse objetivo. " Esta chamada para pesquisas que levem a demonstrações é bem-vinda por grupos como a Nanofactory Collaboration, que estão especificamente buscando sucessos experimentais na mecanossíntese de diamantes. O "Roteiro de Tecnologia para Nanosistemas Produtivos " visa oferecer percepções construtivas adicionais.

Talvez seja interessante perguntar se a maioria das estruturas consistentes com as leis físicas podem de fato ser fabricadas. Os defensores afirmam que, para alcançar a maior parte da visão da manufatura molecular, não é necessário ser capaz de construir "qualquer estrutura que seja compatível com a lei natural". Em vez disso, é necessário ser capaz de construir apenas um subconjunto suficiente (possivelmente modesto) de tais estruturas - como é verdade, de fato, para qualquer processo de manufatura prático usado no mundo hoje, e é verdade até mesmo na biologia. Em qualquer caso, como Richard Feynman disse uma vez: "É científico apenas dizer o que é mais provável ou menos provável, e não provar o tempo todo o que é possível ou impossível."

Trabalho existente em 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 ). Este trabalho está permeando lentamente a comunidade mais ampla da nanociência e está sendo criticado. Por exemplo, Peng et al. (2006) (no esforço de pesquisa contínuo de 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) em ambos 300 K (sala temperatura) e 80 K ( temperatura do nitrogênio líquido ), e que a variante de silício (DCB6Si) também funciona a 80 K, mas não a 300 K. Mais de 100.000 horas de CPU foram investidas neste último estudo. O motivo da dica de ferramenta DCB6, inicialmente descrito por Merkle e Freitas 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 um diamante de 200 átomos completo superfície.

As dicas de ferramentas modeladas neste trabalho devem ser usadas apenas em ambientes cuidadosamente controlados (por exemplo, vácuo). Os limites máximos aceitáveis ​​para erros de deslocamento translacional e rotacional de dicas de ferramenta são relatados em Peng et al. (2006) - as dicas de ferramentas devem ser posicionadas com grande precisão para evitar a colagem incorreta do dímero. Peng et al. (2006) relata que aumentar a espessura do cabo de 4 planos de suporte de átomos de C acima da dica de ferramenta para 5 planos diminui a frequência de ressonância de toda a estrutura de 2,0 THz para 1,8 THz. Mais importante, as pegadas vibracionais de uma dica de ferramenta DCB6Ge montada em uma alça de 384 átomos e da mesma dica montada em uma alça de "barra transversal" de 636 átomos restrita de forma semelhante, mas muito maior, são virtualmente idênticas nas direções não transversais. Estudos computacionais adicionais modelando estruturas de alças ainda maiores são bem-vindos, mas a capacidade de posicionar precisamente as pontas de SPM com a precisão atômica necessária foi repetidamente demonstrada experimentalmente em baixa temperatura, ou mesmo em temperatura ambiente, constituindo uma prova de existência básica para essa capacidade.

Pesquisas adicionais para considerar dicas de ferramentas adicionais exigirão química computacional demorada e difícil trabalho de laboratório.

Uma nanofábrica funcional exigiria uma variedade de pontas bem projetadas para diferentes reações e análises detalhadas da colocação de átomos em superfícies mais complicadas. Embora este pareça um problema desafiador, dados os recursos atuais, muitas ferramentas estarão disponíveis para ajudar os futuros pesquisadores: a lei de Moore prevê aumentos adicionais no poder do computador, as técnicas de fabricação de semicondutores continuam a se aproximar da nanoescala e os pesquisadores se tornam cada vez mais habilidosos no uso de proteínas , ribossomos e DNA para realizar uma nova química.

Obras de ficção

  • Em The Diamond Age, de Neal Stephenson , o diamante pode ser construído diretamente a partir de átomos de carbono. Todos os tipos de dispositivos, desde dispositivos de detecção de tamanho de poeira até zepelins de diamante gigantes, são construídos átomo por átomo usando apenas átomos de carbono, oxigênio, nitrogênio e cloro.
  • No romance Amanhã de Andrew Saltzman ( ISBN  1-4243-1027-X ), um cientista usa nanorobóticos para criar um líquido que, quando inserido na corrente sanguínea , o torna quase invencível, já que as máquinas microscópicas reparam o tecido quase instantaneamente depois de danificado .
  • No RPG Splicers da Palladium Books , a humanidade sucumbiu a uma "praga de nanobot" que faz com que qualquer objeto feito de um metal não precioso se torça e mude de forma (às vezes em um tipo de robô ) momentos depois de ser tocado por um humano. O objeto irá então atacar o humano. Isso forçou a humanidade a desenvolver dispositivos "biotecnológicos" para substituir os que antes eram feitos de metal.
  • No programa de televisão Mystery Science Theatre 3000 , os Nanites (dublados por Kevin Murphy , Paul Chaplin , Mary Jo Pehl e Bridget Jones ) - são organismos auto-replicantes e bio-engenheirados que funcionam na nave, são criaturas microscópicas que residir nos sistemas de computador do Satélite do Amor. (Eles são semelhantes às criaturas em Star Trek: The Next Generation, episódio " Evolution ", que apresentou "nanites" assumindo o controle da Enterprise .) Os Nanites fizeram sua primeira aparição na temporada 8. Baseado no conceito de nanotecnologia , seu deus cômico as atividades ex machina incluíam tarefas diversas, como reparo e construção instantânea, penteado, execução de uma variação Nanite de um circo de pulgas , condução de uma guerra microscópica e até mesmo a destruição do planeta dos Observadores após um pedido vagamente vago de Mike para "cuidar de [a ] pequeno problema". Eles também administravam uma microcervejaria .
  • Stargate Atlantis tem um inimigo feito de nanorrobôs que se auto-montam, que também convertem um planeta em gosma cinza.
  • No romance "Prey" de Michael Crichton, os nanorrobôs auto-replicantes criam nano-enxames autônomos com comportamentos predatórios. O protagonista deve parar o enxame antes que ele evolua para uma praga cinza pegajosa.
  • Nos filmes Avengers Infinity War e Avengers Endgame, o traje do Homem de Ferro de Tony Stark foi construído usando nanotecnologia.

Veja também

Referências

Obras de referência

  • O trabalho de referência técnica principal neste tópico é Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation , uma análise aprofundada baseada na física de uma classe particular de nanomáquinas potenciais e sistemas de manufatura molecular, com extensas análises de sua viabilidade e desempenho. Nanosystems é estreitamente baseado na dissertação de doutorado de Drexler no MIT, "Molecular Machinery and Manufacturing with Applications to Computation" . Ambos os trabalhos também discutem os caminhos do desenvolvimento de tecnologia que começam com a sonda de digitalização e tecnologias biomoleculares.
  • Drexler e outros estenderam as idéias da nanotecnologia molecular com vários outros livros. Desimpedindo o futuro: a revolução da nanotecnologia e. Unbounding the Future é um livro fácil de ler que apresenta as idéias da nanotecnologia molecular de uma forma não muito técnica. Outros trabalhos notáveis ​​na mesma linha são Nanomedicine Vol. I e Vol. IIA de Robert Freitas e Kinematic Self-Replicating Machines "KSRM Table of Contents Page" . Molecularassembler.com . Página visitada em 05-09-2010 .por Robert Freitas e Ralph Merkle .
  • Nanotechnology: Molecular Speculations on Global Abundance Editado por BC Crandall ( ISBN  0-262-53137-2 ) oferece idéias interessantes para aplicações MNT.

links externos

  1. ^ "Ilimitado o futuro: índice" . Foresight.org . Página visitada em 05-09-2010 .