Desafíos técnicos pendientes para lograr la fabricación molecular de diamondoides posicionales y las nanofactorías diamondoides
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Colaboración Nanofactoria
Versión 1.3
Hay un gran número de desafíos técnicos que deben superarse con el fin de demostrar la viabilidad de diamondoid fabricación molecular, sistemas de máquinas moleculares, la robótica a nanoescala, y nanofactories. El caso científico básico para la viabilidad se puso por primera adelante por K. Eric Drexler en su libro de texto de ingeniería hito nanosistemas (1992). Basándose en el trabajo de Drexler, Freitas ha defendido la viabilidad técnica de nanorobótica médicos en su serie de libros técnicos Nanomedicina vol. I (1999) y Nanomedicine Vol. II (2003), y Freitas y Merkle han examinado el estado actual de la técnica en la fabricación molecular en su libro técnico cinemáticos auto-replicantes máquinas (2004).
Con el concepto y la utilidad potencial de los sistemas de máquinas moleculares bien establecidos por este trabajo preliminar, la comunidad técnica está empezando a examinar seriamente estas propuestas en mayor detalle para evaluar su viabilidad. El escepticismo constructivo de la comunidad técnica es a la vez deseado y esencial para el éxito de la colaboración nanofábrica. Es sólo centrándose intensamente en la miríada de detalles de implementación que un entendimiento más completo de los problemas y limitaciones de los sistemas de máquinas moleculares se puede lograr.
Desde 2001 hemos estado recopilando una lista creciente de desafíos técnicos para la ejecución de diamondoid fabricación molecular y sistemas de máquinas moleculares. Esta lista, que es largo, pero es casi seguro incompleta, paralelos e incorpora las preocupaciones expresadas en los comentarios escritos reflexivos por Philip Moriarty en 2005 y Richard Jones en 2006. Damos la bienvenida a estas críticas y alentaría el comentario más constructiva – y sugerencias de desafíos técnicos adicionales que es posible que hayamos pasado por alto – a lo largo de líneas similares por parte de otros.
Nuestra lista representa una estrategia de investigación a largo plazo que sirve como una respuesta directa a la reciente (2006) llamada por el Comité de Revisión NMAB/NRC, en su mandato del Congreso revisión de la NNI, para los defensores de “la química específica del sitio para grandes fabricación-scale” a: (1) delinear direcciones de investigación deseables no ya siendo perseguido por la comunidad bioquímica; (2) definir y centrarse en algunas medidas experimentales básicas que son fundamentales para avanzar en los objetivos a largo plazo; y (3) esbozar algunos “prueba de principio de” estudios que, si tiene éxito, podría proporcionar conocimientos de ingeniería o demostraciones de principios o componentes con valor inmediato clave.
Animamos a los investigadores interesados a unirse a la colaboración nanofábrica para ayudarnos a resolver definitivamente cada uno de los desafíos técnicos que quedan por realizar la teórica necesaria – y en algunos casos, las investigaciones experimentales.
Nuestra lista actual de los desafíos técnicos están organizados en las cuatro categorías de capacidades técnicas que creemos que son necesarios para la consecución exitosa de posicional fabricación molecular diamondoid, lo que permite el desarrollo nanofábrica. Esta lista es actualmente más extenso en el área de mechanosynthesis diamante (DMS) desde DMS ha sido el enfoque principal de nuestros primeros esfuerzos que conduzcan a la aplicación nanofábrica.
(I) Los desafíos técnicos para Mecanosíntesis del diamante
(A) TEÓRICO
(1) Diseño y simulación de información sobre herramientas DMS
(a) Necesidad de nuevas simulaciones computacionales sobre herramientas mecanosíntesis
(b) Necesidad simulaciones computacionales de estructuras de asa tooltip que tienen altas relaciones de aspecto que permitan cerca aproxi-de sitios de reacción de pieza de trabajo y (posiblemente múltiples) información sobre herramientas yuxtapuestos cerca de un sitio de reacción.
(2) Diseño y simulación de las interacciones sobre herramientas-piezas de trabajo
(a) Necesidad simulaciones de interacciones sobre herramientas-piezas de trabajo con superficies de diamante (VASP o software equivalente recomendado).
(b) Necesidad análisis de trayectorias óptimas herramienta de la pieza de trabajo de aproximación, configuraciones posicionales relativos óptimos de herramientas y la pieza de trabajo, y la cartografía de los sobres de trabajo sobre herramientas parámetros relativos a experimentalmente controlables tales como el estado información sobre herramientas de rotación, ángulos tooltip-pieza de trabajo, y las distancias tooltip-pieza de trabajo.
(c) Necesidad de evaluaciones analíticas y estadísticas de si el básico DMS mecanoquímica es lo suficientemente confiable para proceder sin la comprobación de errores.
(d) ¿Necesita enumeración completa y evaluación de todos los estados patológicos que la pieza de trabajo pudiera tomar en un DMS reacción.Este análisis debe incluir reacción endo-/exoergicity en relación con el estado deseado, las barreras a estados patológicos, y estados intermedios/de transición patológicos que la pieza de trabajo puede adoptar durante el DMS reacción o después de la DMS reacción es completa. Densidades de defectos de piezas de trabajo deben ser controladas y eliminadas.
(3) Diseño y simulación de las interacciones herramienta-herramienta
(a) Necesidad estudios de posible congestión estérica entre las sugerencias proximated. Muchos grupos que están trabajando en sistemas de sonda de barrido de doble sonda han encontrado límites fundamentales sobre lo cerca que dos sondas se pueden colocar, debido a la radio finito de curvatura de las puntas de sonda de barrido existentes. DMS modos de fallo de este modo pueden incluir el impedimento estérico de las reacciones deseadas, posible reconstrucción atómica de estructuras de asa información sobre herramientas que se llevó muy cerca entre sí, y el daño de plano mecánico debido a la punta choque. La combinación ideal tooltip/mango tendrá una alta relación de aspecto para permitir la máxima aproxi- de la información de herramientas. Los límites de los sobres de operación de la información de herramientas estrechamente yuxtapuestas deben cuantificarse tanto teórica como experimental.
(4) Simulación de interacciones mecanosíntesis en ambiente de vacío realista
(a) ¿Necesita simulaciones y los estudios que examinan la información de herramientas con los sitios radicales expuestos que se colocan en entornos de vacío experimentales realistas. Necesidad de evaluación del riesgo de intoxicación por radicales sitio debido a los contaminantes sueltos, y las estimaciones de la vida útil esperada de estos sitios radicales expuestos en este tipo de entornos de vacío. ¿Qué nivel de vacío es el mínimo necesario para la vida útil de información sobre herramientas adecuadas para permitir factibles DMS procesos? Son algunos contaminantes que probablemente peores que otros?
(b) Necesidad simulaciones y estudios que examinan piezas de trabajo y las superficies diamondoid con los sitios radicales expuestos que se colocan en entornos de vacío experimentales realistas. Necesidad de evaluación del riesgo de intoxicación por radicales sitio debido a los contaminantes sueltos, y las estimaciones de la vida útil esperada de estos sitios radicales expuestos en este tipo de entornos de vacío. ¿Qué nivel de vacío es el mínimo requerido para la pieza de trabajo adecuada o vidas superficiales diamondoid para permitir factibles DMS procesos? Son algunos contaminantes que probablemente peores que otros?
(c) Necesidad encuesta de sistemas de vacío existentes y la disponibilidad de ultra-altos vacíos. También es necesario evaluación de la probabilidad de aumento en el riesgo de contaminación del espacio de trabajo de fuentes distintas de información sobre herramientas y piezas de trabajo, en particular la desgasificación (desorción) de moléculas contaminantes de las superficies, las manijas tooltip, sellos, u otros mecanismos que pudieran estar presentes en el interior del volumen de espacio de trabajo.
(5) El diseño y simulación de secuencias enteras de reacción DMS
(a) Necesidad de diseño y simulación de DMS secuencias de reacción que minimizan pieza de trabajo, información sobre herramientas, y reconstrucciones estructura intermedia, y que mantienen pasivación adecuada de las estructuras de las piezas de trabajo intermedios.
(b) necesidad de diseñar y simular procedimientos de recarga de información sobre herramientas para la información sobre herramientas descargadas.
(c) Necesita definición concisa de un “conjunto de herramientas mínimo” y un conjunto reacción mínima Básico DMS , incluyendo secuencias específicas de reacción de creación de diamante, que es necesario y suficiente para construir estructuras de diamante simples (por ejemplo, Merkle (1997), Freitas (2007)).
(d) extensión y elaboración de “conjuntos de herramientas mínimas” suficiente para lograr extendieron DMS, incluyendo la fabricación controlada posicionalmente de cóncava, curvada, y estructuras diamondoid-shell tensas.
(6) Diseño y simulación de procedimientos DMS más allá de hidrocarburos
(a) DMS deben extenderse a átomos distintos de C y H – garantizar idealmente una combinación de densidad próxima a cero colgando enlace, altas barreras de difusión, y enlaces covalentes direccionales.
(7) La transposición y la reconstrucción de las superficies de piezas de trabajo
(a) Son las pequeñas estructuras diamondoid comúnmente previstas para partes nanomecánicos (y sus estructuras intermedias durante y después de cada DMS reacción en el proceso de fabricación) estructuralmente estable, o hacer que se reordenan? La investigación reciente en reordenamientos “nanodiamantes” será instructivo y debe ser revisado extensamente, junto con la literatura efectos de H pasivación/despasivación y la temperatura sobre la naturaleza y la frecuencia de las reconstrucciones de superficie describir.
(b) Si estas pequeñas estructuras diamondoid reordenan, es el reordenamiento regular y fiable, o al azar y multiestructural? ¿Puede el reordenamiento invertirse, por ejemplo, por repasivación de la superficie reconstruida, como con el diamante C (111) superficie? Puede ser ignorado el reordenamiento, como en el caso de un mango de información sobre herramientas que reordena de forma conocida, pero relativamente inofensivos después de que se fabrica (es decir, de una manera que no afecta a la fiabilidad de la química controlada posicionalmente que tiene lugar en la punta)?
(c) Necesidad de una revisión de literatura y estudios teóricos suplementarios en la propensión de la superficie diamondoid a someterse a la grafitización, y las condiciones en que puede ocurrir esta patología estructural.
(d) ¿Necesita una revisión de la literatura y estudios teóricos suplementarios sobre la propensión y la tasa de migración de adspecies a través de los tres principales superficies de diamante, incluyendo migraciones también a lo largo de estructuras de reborde y de la esquina, alrededor de los bordes del agujero, y al otro lado convexo y regiones cóncavas, como una función de tipo adspecies y temperatura del sistema. Estos estudios deben incluir un análisis y cuantificación de cualquier barrera a la difusión superficial y la migración.
(e) ¿Necesita un estudio de la medida en que la fotoexcitación conduce a misreaction y reorganización de estas estructuras (y sus productos intermedios durante la fabricación).
(f) Necesidad de un estudio de la medida en que la presencia y la distribución geométrica de los bonos tensas, y el grado de deformación, influye en la reconstrucción de pequeñas nanoparts diamondoid y sus estructuras intermedias.
(g) (Por ejemplo, adecuados cálculos de química cuántica ab initio, Teoría Funcional de Densidad) son necesarios para determinar la estabilidad estructural y química de partes de la máquina de destino diamondoid – produciendo la estructura estable en el equilibrio (la estructura con la menor energía libre global). Mecánica Molecular Simulations sí sola no puede determinar con precisión este.
(h) Se necesitan Simulaciones de dinámica molecular que emplean la química cuántica (por ejemplo, AIMD) para investigar la estabilidad cinética de las estructuras metaestables. estructuras metaestables son estructuras que no están en equilibrio, pero que tienen una suficiente baja probabilidad de transformar al estado más estable (no deseado) que todavía puede ser útil para fines prácticos nanoingeniería. La evaluación de la utilidad de las estructuras metaestables requiere el cálculo de la barrera de energía que evita la reconstrucción y asegurar que la energía disponible en el sistema (ya sea térmica, mecánica, o de otro tipo) es insuficiente para empujar al sistema metaestable sobre esa barrera.
(i) Sólo un subconjunto muy pequeño de las superficies sin terminar no reconstruir. Necesidad de una revisión de todas las superficies (tanto pasivadas y no pasivadas) que se sabe que no reconstruir. Esto proporcionará una lista de los primeros objetivos para los intentos experimentales en DMS. El ejemplo más conocido de una superficie no reconstrucción es el diamante C (110) de superficie. Un examen más amplio posterior del fenómeno general de la reconstrucción de la superficie ayudaría a priorizar la lista de objetivos secundarios para la futura experimentación mecanosíntesis. Para este estudio más amplio, no debería haber un énfasis analítico en la cerámica covalentes rígidos y sólidos relacionados, y en nanoclusters <10 nm de tamaño que son los más directamente análoga a nanoparts mecánicos propuestos, tales como engranajes y rodamientos que pueden contener hasta 104 átomos de cada uno.
(j) ¿Necesita un estudio definitivo para determinar si o no el (nonpassivated) C (111) superficie limpia reconstruirá espontáneamente en o por debajo de la temperatura ambiente, y para determinar por debajo de lo umbral de temperatura, si la hay, no va a reconstruir.
(k) Necesidad de cuantificar el impacto en DMS fiabilidad y repetibilidad de los fenómenos de relajación superficie, a diferencia de los fenómenos reconstrucción de la superficie, por ejemplo, como se describe por Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff et al (1994), Venables (2000), y Lut (2001). Efectos de relajación pueden ser importantes en muchos materiales diamondoid, lo más notablemente en el caso de zafiro (alúmina, Al2O3) donde relajaciones de iones de oxígeno de la superficie puede llegar a ~ 50% de la separación de capa en la hexagonal (0001) cara.
(8) El diseño y simulación de sistemas de presentación materia prima moleculares para DMS
(a) Necesidad de diseñar y simular la presentación de moléculas de materia prima atados a superficies fijas, para una fácil recogida por las herramientas mecanosíntesis de deposición, así como la gama de movimientos y procedimientos para la adquisición de moléculas de materia prima en una información de herramienta controlado posicionalmente de una superficie de presentación molécula de materia prima.
(b) Alternativamente, la unión, el transporte a través de superficies de barrera, y el posicionamiento de las moléculas de la materia prima líquida o gaseosa inicialmente posicionalmente sin restricciones (por ejemplo, acetileno o C2H2) deben ser exploradas con una visión hacia el diseño de sitios de unión basada principalmente en molecular estérico (forma) propiedades que se pueden diseñar de forma flexible para el uso en sistemas de fabricación moleculares.
(B) EXPERIMENTAL
(1) Diseño general y construcción de sistemas UHV nanopositioning de alta precisión
(a) La nueva capacidad experimental más urgente es el desarrollo de un sistema de posicionamiento SPM de bajo ruido con altamente repetible sub-Angstrom (0,2-0,5 A) la precisión de posicionamiento más de 1 micra caminos de ida y vuelta, junto con un sub-nanómetros la precisión del sistema de coordenadas que abarca al menos decenas de micras.
(b) Necesita un sistema de posicionamiento que minimiza la histéresis y la reacción, o que por lo realiza mínimas de una manera suficientemente repetible como para garantizar la precisión de colocación sobre herramientas a 0,2-0,5 Angstroms.
(c) Extensión de los sistemas de nanopositioning-múltiple de punta, aumentando los grados de libertad posible para la sola posicionamiento molécula (por ejemplo, que tiene la rotación de la pieza y la inclinación disponible durante los eventos de manipulación) en los primeros sistemas, y, posiblemente, para incluir, en los sistemas posteriores, el cerrado control de bucle de un sistema de doble punta de AFM con al menos 5 grados de libertad por información de herramientas (6 DOF por punta sería mejor para asegurar que podemos alinear con precisión la información de herramientas).
(d) Se deben proporcionar entornos Ultraclean UHV que tienen contaminación mínima. Un típico de vacío UHV de ~ 10-9 torr daría el experimentador, en promedio, ~ 1000 segundos antes de envenenamiento de los que podría ocurrir un sitio radical expuesta debido a un choque de átomos callejeros de contaminantes, iones y moléculas. La capacidad de trabajar en el interior de pequeños volúmenes ayudarían. Por ejemplo, un vacío de 1 nanotorr dentro de una caja de 10.000 micras cúbico adjunto contiene, en promedio, menos de una molécula contaminante – por lo general haciendo, en efecto, un vacío perfecto.
(e) El control por ordenador de las trayectorias, las rotaciones, y el posicionamiento debe ser estudiado, con el objetivo último de automatizar completamente el DMS proceso para que nanoestructuras pueden ser fabricados de acuerdo con un modelo particular.
(2) Retos específicos a los sistemas nanopositioning DMS
(a) ¿Necesita nuevos métodos de registro y alineación de la información de herramienta en relación con el sitio de reacción de destino en la pieza de trabajo posicional. Incluso un extremadamente pequeño desajuste en la alineación de la descripción dará lugar a la formación de enlaces no deseados. En el caso de una punta de multiherramienta, cada herramienta debe ser capaz de alineación de precisión y posicionamiento sobre el sitio reactivo pieza de trabajo adecuada.
(b) Necesidad de registro repetible posicional y la alineación de una información de herramientas nuevo o volver reposicionado, con relación a un sitio de pieza de trabajo previamente visitado por un texto de ayuda, con la suficiente precisión para permitir bajo de error DMS.
(c) Necesita rotación repetible información de herramienta y de la inclinación de una información de herramientas nuevo o recurrente, con relación a un sitio reactivo pieza de trabajo, con una precisión suficiente para permitir bajo de error DMS. Pequeños cambios en la inclinación información sobre herramientas se predijeron para alterar exoergicity reacción, barreras de reacción, y la fiabilidad de reacción.
(d) Necesidad de idear métodos para el registro de posición de múltiples tooltips proximated. ¿Cómo se puede localizar una herramienta, en relación con otro, para llevar a cabo una etapa de mecanosíntesis que requiere la acción coordinada de dos o más información sobre herramientas? Este problema se aplica tanto a las posiciones tooltip relativos y rotaciones tooltip relativos.
(e) Será requerido la capacidad experimental para changeout Multitip para los primeros DMS sistemas de demostración. Más tarde generación “molino” tipo DMS sistemas podrían emplear piezas de trabajo y herramientas fijados a un sistema de transporte que se mueve y las transporta a lo largo de trayectorias predeterminadas durante el cual son dados de alta, entonces recargarse, en una secuencia repetitiva.
(f) Necesidad métodos para asegurar un control preciso sobre la química y la estructura de información de herramientas de modo que las reacciones específicas son posibles con un alto grado de fiabilidad.
(3) La fabricación Experimental de consejos DMS
(a) Necesidad propuestas (y las críticas de las propuestas) que describen cómo construir sobre herramientas mecanosíntesis con estructuras de asa apropiados, usando técnicas que son accesibles de forma experimental en la actualidad. (Sistemas de generaciones posteriores pueden emplear globos de sugerencias para hacer que la información de herramientas, un proceso mucho más rápido y más eficiente.)
(b) Necesidad de métodos para caracterizar la información de herramientas, una vez que se han fabricado, sin destruir o inactivar ellos.Esto será especialmente importante en las primeras etapas de DMS experimentación cuando nuestra experiencia con (y la comprensión de estos sistemas es) en su punto más bajo.
(4) De fondo Experimental para DMS
(a) En el área experimental, estamos buscando los experimentadores dispuesto y capaz de llevar a cabo demostraciones de laboratorio de (1) simples DMS o (2) la capacidad requerida específicos necesarios para llevar a cabo operaciones mecanosíntesis más sofisticados.
(b) Necesidad de una revisión de la literatura experimental y cualquier trabajo experimental suplementario necesario caracterizar completamente el comportamiento de la C (111), C (110) y C (100) superficies de diamante en diversas condiciones que pueden encontrarse durante la DMS.
(c) Necesidad de un análisis de la utilidad de la prueba condicional de estados intermedios de la pieza de trabajo durante DMS fabricación, y de los métodos más apropiados para hacer esto. Es registro información de herramienta/pieza de trabajo, combinado con posicional y la fuerza de mediciones de realimentación durante un DMS etapa de reacción, suficiente para asegurar fiables DMS operaciones, o es la prueba condicional y la pieza de trabajo la caracterización del sitio de reacción entre cada uno de los pasos necesarios para alcanzar aceptable DMS fiabilidad? Se cree que las pruebas de los estados de la pieza intermedia puede ser esencial en las primeras etapas de DMS experimentación. Como la experiencia con estos sistemas crece y el conocimiento se acumula sobre el rango normal de las respuestas durante las interacciones tooltip-piezas de trabajo, puede ser posible eliminar en gran medida las pruebas de paso-a-paso, sustituyendo ensayo del producto final y la mancha de comprobación para los propósitos de control de calidad. La eliminación de las pruebas de paso a paso es probablemente clave para la paralelización masiva y scaleup de DMS sistemas de fabricación con base, especialmente sistemas de tipo molino.
(5) Experimental de prueba de principio y principios de los puntos de referencia de demostración DMS
(a) ¿Necesita demostración experimental de (es decir, fuerzas mecánicas solamente, no hay campos eléctricos implicados) puramente mecanosíntesis abstracción H, preferiblemente sobre una superficie de diamante.
(b) Necesidad demostración experimental de la donación de H puramente mecanosíntesis, preferiblemente sobre una superficie de diamante.
(c) Necesita demostración experimental de puramente mecanosíntesis C2 dímero (u otro resto hidrocarburo simple) la colocación, preferiblemente sobre una superficie de diamante.
(d) ¿Necesita demostración experimental de una secuencia puramente mecanosíntesis de dos o más de DMS reacciones en o cerca del mismo sitio reactivo sobre la misma pieza – por ejemplo, dos abstracciones H adyacentes en una superficie de diamante, o un C2 colocación dímero en C (110) seguido de H donación en la colocado previamente-C2 dímero.
(e) ¿Necesita demostración experimental de la capacidad de realizar una secuencia repetible de DMS operaciones sobre una superficie de diamante, lo que resulta en la fabricación verificable de una nueva estructura diamondoid en esa superficie.
(f) Necesidad demostración experimental de una fabricación puramente mecanosíntesis de una nanoestructura diamondoid 3D significativo.
(g) ¿Necesita demostración experimental de una fabricación puramente mecanosíntesis de una estructura diamondoid-shell tensas 3D.
(6) Paralelización DMS
(a) ¿Necesita demostración experimental de la capacidad de H-pasivado, o H-despasivar, superficies de diamante en múltiples sitios simultáneas a través arrays tooltip paralelizados.
(b) necesitan ensayos experimentales de otros tipos de operaciones mecanosíntesis que demuestran al menos el potencial para la paralelización masiva de DMS información de herramientas.
(7) Disponibilidad de nanoparts naturales para las pruebas y la fabricación
(a) Sería útil disponer de una biblioteca completa de estructuras de adamantano de origen natural, catalogado de acuerdo con el tamaño, estructura geométrica, el recuento de átomo, unión/conectividad, la disponibilidad después de la extracción del petróleo natural, y así sucesivamente. Esto nos diría lo natural “partes” podría ser fácilmente disponible en grandes cantidades para su posterior procesamiento en nanoestructuras más complejos, tales como cojinetes, engranajes, y similares, o para probar el rendimiento de los sistemas manipuladores experimental en fase inicial.
(b) La posibilidad de construir nanoparts diamondoid empezando con primitivas de bloque hueco de adamantano debe ser investigada. Si resulta posible, esto podría reducir algunos de la necesidad de precisión DMS a ser empleados en la fabricación de los marcos de jaula básicos de nanoparts diamondoid. Precision DMS todavía sería necesario para la adición o modificación de las características esenciales de la superficie nanopart, y para la unión covalente de primitivas de adamantano en agregados más grandes durante el proceso de fabricación nanopart diamondoid.
(II) Los desafíos técnicos para programable Asamblea posicional
(A) TEÓRICO
(1) Diseño de Nanopart pinza
(a) Posicionalmente controlado pinzas debe ser diseñado de forma que puede agarrar y luego manipular nanoparts acabados, ya sea para el transporte de ellos en otro lugar o para manipular más de ellos en una serie de pasos de montaje, tales como una operación de inserción partes (una clavija empujada en un agujero complementario) o de otra operación de montaje similares, en el que las piezas pequeñas se combinan mecánicamente para hacer nanoparts compuestos más grandes que incluyen van der Waals. herramientas de mango destinados a ser utilizados para el propósito de construir nanomáquinas compuestos de sus partes componentes pueden ser significativamente diferentes en el diseño de herramientas de mango destinados a ser utilizados para mechanosynthesis. Por ejemplo, la información de herramientas mecanosíntesis generalmente habrán covalentes de formación de enlace casi exclusivamente reactividad, mientras que el montaje sobre herramientas pueden emplear principalmente van der otros sistemas de unión débiles para las piezas de agarre Waals o.
(b) Necesidad de métodos para unir de agarre con el sistema de posicionamiento fino al tiempo que conserva la rigidez y la capacidad de accionar el dispositivo de agarre.
(c) Necesitan la capacidad de intercambiar un mecanismo de sujeción para otro en la punta de SPM. Esto implica un requisito corolario para diseñar estructuras de depósito para el almacenamiento temporal conveniente y recuperación de los mecanismos de agarre no utilizados.
(2) Diseño Nanopart actuador manipulador
(a) Necesita diseños para nanoescala y actuadores moleculares. Estos diseños se deben generar en la contemplación de la necesidad de una futura integración a gran escala de los actuadores en máquinas a escala nanométrica, y debe incluir la consideración de posibles sistemas de múltiples actuadores futuras.
(3) Diseño y simulación de sistemas de presentación nanopart materia prima
(a) Necesidad de diseñar y simular la presentación de nanoparts atados a superficies fijas, para una fácil recogida por las herramientas de montaje, así como la gama de movimientos y procedimientos para adquirir nanoparts sobre una herramienta de montaje controlado posicionalmente de una superficie de presentación nanopart.
(b) Alternativamente, la unión, el transporte a través de superficies de barrera, y el posicionamiento de nanoparts inicialmente posicionalmente no restringidos que flotan en un fluido portador líquido o gaseoso deben explorarse con una visión hacia el diseño de sitios de unión nanopart que puede ser diseñado de forma flexible para el uso en molecular sistemas de fabricación.
(4) El diseño y simulación de las superficies de liberación de la pieza
(a) Necesidad análisis de cómo construir nanoparts y/o de sus estructuras intermedias en muelles o superficies desmontables, y luego recogerlos.
(5) El diseño y simulación de las secuencias de montaje nanopart
(a) Necesidad de diseñar las secuencias de pasos de montaje necesarias para montar una colección específica de las piezas en un objeto ensamblado específico, por Modelo del plan. Esto incluye debe incluir movimientos pertinentes a partes acquition y estiba de objeto producto acabado en las zonas de depósito.
(6) Reordenamientos atómicos en nanoparts yuxtapuestas
(a) ¿Necesita química cuántica y análisis de dinámica molecular de posibles reconstrucciones (y estabilidad química) de nanoparts en movimiento que se colocan en contacto íntimo con otras nanoparts móviles durante las operaciones de montaje.
(B) EXPERIMENTAL
(1) El desarrollo de la tecnología SPM para permitir los trabajos de montaje nanopart
(a) Necesidad pinzas nanopart reversibles como efectores terminales en extremidades del SPM. Las pinzas deben ser capaces de accionamiento a distancia y/o condicional.
(b) Sistemas de SPM para ser utilizados para trabajos de montaje pueden requerir una precisión de menos de posición de colocación pero una capacidad de aplicar fuerzas mayores, y en direcciones más complejas (por ejemplo, movimientos giratorios que se aplican pares de giro circulares o helicoidales, movimientos de roscado/inserción etc.). Hacer un producto atómicamente precisa de nanoparts de escala nanométrica no requiere precisión atómica en el posicionamiento nanopart, pero sólo lo suficiente precisión posicional de distinguir la estructura del conjunto deseado de las estructuras de montaje patológicos adyacentes.
(c) Debe desarrollar un procedimiento de accionamiento que puede ser fácilmente controlado en paralelo y es potencialmente escalable.
(2) Fabricación y ensayo de las superficies de liberación de la pieza
(a) Necesita piezas diseñadas para facilitar el agarre y la manipulación.
(b) Necesidad de presentación esquemas eficientes partes.
(c) Investigar posibilidad de adhesividad controlada partes durante el montaje posicionalmente controlada.
(d) Investigar posibilidad de paletización nanopart.
(e) Investigar posibilidad de DMS basado fabricación nanopart sobre una superficie de sacrificio que se disuelve de distancia, liberando nanoparts en un fluido portador.
(3) Experimental de prueba de principio y principios de los puntos de referencia de demostración de ensamblaje posicional
(a) Necesidad demostración experimental de la capacidad de encontrar y recuperar nanoparts de entrada procedentes de una superficie de presentación de las piezas o partes de depósito con precisión.
(b) Necesidad demostración experimental de unión puramente mecánica de dos o más nanoparts en un objeto producto más complejo.
(c) Necesita demostración experimental de capacidad de colocar de forma estable objetos producto ensamblado acabado sobre una superficie de almacenamiento de producto o producto de depósito, en un lugar y la orientación conocida.
(d) ¿Necesita demostración experimental de inserción puramente mecanosíntesis y o operación de roscado.
(e) ¿Necesita demostración experimental de la capacidad de adquirir dos objetos de productos y unirlas para formar un objeto producto más complejo.
(III) Desafíos técnicas para ensamblaje posicional masivamente paralelo
(1) Paralelización masiva de información sobre herramientas y sistemas reactivos DMS
(a) Necesidad de análisis y propuestas para el DMS paralelización. El objetivo de hacer mecanosíntesis operativa debe preceder lógicamente (como un objetivo de investigación) el objetivo de hacer mecanosíntesis masivamente parallelized.
(b) Necesidad de análisis y propuestas de cómo construir manipuladores altamente precisos que tienen alta repetibilidad y estabilidad, posiblemente con múltiples DOF en la punta, que se puede disponer en arrays masivamente paralelos para permitir masivamente paralelo DMS procesamiento de piezas de trabajo. Estos podrían ser capaces de servir como los componentes principales de los sistemas de producción de alto rendimiento. Tales arreglos no son SPM de hoy, pero podrían ser los descendientes de SPM tecnológicos de hoy en día.
(c) ¿Necesita un análisis del diseño de la utilidad de, y requisitos para, la incorporación de varios niveles de redundancia en los sistemas de fabricación masivamente paralelos.
(d) Sistemas de nivel inferior utilizados en DMS operaciones de fabricación o de montaje nanoparts deben demostrarse para ser escalable para sistemas más grandes, o rediseñados para permitir tal escalabilidad.
(2) Paralelización masiva de pinzas de montaje nanopart y sistemas relacionados
(a) Necesidad de diseñar sistemas de control para mil millones de estaciones de trabajo arrays de montaje partes paralelas operado. Esto incluye la aplicación de los sistemas de accionamiento controlados posicionalmente.
(b) Necesidad de análisis de las tasas de fiabilidad y de error en los grandes sistemas de fijación. Los estudios de diseño tolerante a fallos para sistemas de fabricación masivamente paralelos serían útiles.
(3) Software de simulación para sistemas de fabricación masivamente paralelos
(a) Necesita un software capaz de simulaciones de varios niveles integrados de los principales subsistemas y sistemas de nanofactories.
(b) Necesidad de flujo de trabajo de software de planificación de sistemas de montaje masivamente paralelos.
(IV) Los desafíos técnicos para nanomecánica diseño
(1) Establecimiento de bibliotecas nanopartes
(a) Necesidad de establecer bibliotecas nanoparts catalogados en formatos CAD-utilizable.
(b) Nanoparts y nanoconjuntos deben emplear “diseño para el montaje” y “diseño para análisis y validación” filosofías.
(c) Necesidad de análisis de estructuras derivadas en los análisis anteriores (véase anteriormente) para determinar cuántos nanoparts distintos y superficies de materiales podrían ser necesarios para constituir un conjunto completo de componentes estructurales y funcionales de bajo nivel suficiente para la fabricación molecular.
(2) Simulación de nanoparts, nanomáquinas, y operaciones nanomáquina
(a) Necesidad de software que se puede modelar de forma fiable y simular el funcionamiento cinemática de piezas de la máquina diamondoid.
(b) Necesidad de desarrollar un sistema de CAD/simulación capaz de realizar la simulación dinámica molecular de numerosas partes que interactúan, y de predecir con precisión la fiabilidad y las características físicas de sus interacciones.
(c) ¿Necesita un diseño detallado para un nanomotor, con simulaciones atomísticos de al menos los componentes clave. Los materiales deben ser especificados y la estabilidad química de las estructuras resultantes deben ser probados. El uso de cualquier tipo de metal puede plantear cuestiones graves estabilidad de la superficie y el fracaso podría ocurrir debido a la adhesión de las superficies de contacto, pero grafenos metálicos, diamante dopado o de otros materiales rígidos covalentes relevantes podrían ser utilizados en su lugar. precisión exquisita en el posicionamiento también puede ser necesaria debido a la dependencia exponencial de la corriente túnel con separación.
(d) ¿Necesita un diseño detallado para una bomba molécula selectivo, con simulaciones atomísticos de al menos los componentes clave, especialmente los sitios de unión y los mecanismos de accionamiento. Una diana útil podría ser un nivel de diseño molecular de un sistema de válvula o bomba selectiva basada en materiales rígidos que admite una molécula elegida mientras que excluye, por ejemplo, oxígeno y agua con una eficiencia de casi 100%.
(e) De Drexler nanosistemas establece un marco para la estimación de los efectos de ruido térmico, que se aplica luego a un diseño de ingeniería en un cálculo de la incertidumbre posicional en la punta de un posicionador molecular. Esto muestra que la incertidumbre posicional puede hacerse que sea menor que un diámetro atómico – una condición necesaria, si tal vez no suficiente, para tales dispositivos para trabajar. Pero también necesitamos una gama más amplia de simulaciones de dinámica molecular de nanomáquinas más complejos operados a temperaturas de nitrógeno y cámara de líquido, en el que tanto el propio mecanismo y de su fijación están sujetos a ruido térmico.
(f) Se necesita una revisión del nuevo órgano de reciente trabajo experimental y de simulación sobre nanotribología (fricción nanoescala), seguido de una evaluación de sus consecuencias (si las hay) para el rendimiento de la maquinaria a nanoescala. Por ejemplo, superlubricity de grafito inconmensurable y grafeno inconmensurable superficies de deslizamiento se ha demostrado experimentalmente. Además penetración en la escala del problema y todas las restricciones de diseño específicas que podría imponer se puede obtener simulaciones dinámicas moleculares cuantitativos de los sistemas nanomecánicos simples, accionados. Incluso los valores bajos de fricción podrían comprometer el funcionamiento nanomachine mediante la generación de altos niveles de calentamiento local que podría disminuir la estabilidad química de tales dispositivos. La fuga de energía a partir de los modos de accionamiento de las máquinas en los modos de azar, más altos de frecuencia de vibración que constituyen calor puede ocurrir cada vez que los enlaces químicos se estiran más allá de la gama sobre la cual están bien aproximada por una potencial armónico (es decir, obedecer la ley de Hooke).
(g) Revisión de la literatura necesita, simulaciones definitivos y la evaluación del impacto de la difusión de hidrógeno a través de superficies diamondoid y cristalina a granel.
(h) Necesidad de revisión de la literatura, las simulaciones definitivos y evaluación de los efectos de daño de las radiaciones sobre la fiabilidad de las estructuras mecánicas diamondoid y operaciones.
(3) Diseño nanofábrica
(a) Necesidad simulaciones completas de operaciones nanofábrica.Tenga en cuenta que un kilogramo de producto manufacturado, si se hace de diamante puro, contendría ~ 50 x 1024 átomos de carbono, lo que requiere ~ 50 x 1024 DMS operaciones suponiendo 1 ~ DMS operación por átomo de C emplazado; y sin embargo, una computadora de escritorio moderna lleva a cabo sin problemas ~ 1024 operaciones de transistores por día. Si individuales DMS operaciones en un sistema de fabricación madura se pueden hacer tan simple y fiable como operaciones primitivas de transistores en un chip de computadora electrónica moderna, entonces el nivel de complejidad inherente a las operaciones nanofábrica puede considerarse como considerable, pero no es inconcebible.
(b) El espacio de diseño de arquitecturas básicas nanofábrica debe ser inspeccionada y evaluada, aunque el espacio es probablemente demasiado grande para una evaluación completa. Un buen diseño nanofábrica debe ser un sistema de arranque-capaz, debe exhibir facilidad de reprogramación, debería permitir la máxima accesibilidad geométrico para piezas de trabajo durante la fabricación, debe exhibir la máxima fiabilidad durante el funcionamiento, debe ser y exhibición nonevolvability “segura”, debe ser “edificable”, y permitir la intervención de fabricación limpio y un funcionamiento libre de contaminación.
(c) La necesidad de investigar los posibles requisitos para el control de proceso de macroescala-equivalente y el seguimiento de la instrumentación en nanofactories, incluyendo sensores, interruptores de límite, y similares, constituyendo retroalimentación sensorial bucles que permite el accionamiento condicional. Si DMS secuencias y partes secuencias de montaje de fabricación pueden ser de diseño para minimizar o eliminar las reconstrucciones no deseados u otras patologías estructurales, entonces la necesidad de detección inline convencional se reduce en gran medida (junto con el número de posibles modos de fallo).
(d) Necesidad de investigar diseños para las líneas de producción se multiplican redundantes, con cuantificación de rendimiento y de diseño compensaciones incluyendo el número de líneas de producción paralelas, en tiempo-a-ruptura media de una línea de producción dada, el número óptimo de vías alternativas de piezas de trabajo a través de la nanofábrica , el número óptimo y la ubicación de las derivaciones de flujo de producción, y así sucesivamente, para determinar la fiabilidad y la eficiencia de la operación global de fabricación.
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Última modificación el 2 de septiembre de 2018.
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