Нанофабрикаторы могут быстро синтезировать все, что нам нужно, молекула за молекулой.
Ключевые выводы
- Нанофабрикаторы, которые могут быстро производить практически все, молекула за молекулой, физически возможны.
- Однако существует несколько основных физических и химических препятствий, которые необходимо преодолеть, чтобы нанофабрикаторы стали реальностью.
- Несмотря на то, что препятствия огромны, революция, которую это произведет для человеческой цивилизации, означает, что нанопроизводство слишком заманчиво, чтобы отказываться от него.
Концепция нанофабрикатора представляет нам версию будущего из «Звездного пути». Нужна еда? Нажмите кнопку на репликаторе. Нужен ключ? Нажмите кнопку на репликаторе. Нет смысла в деньгах, когда все, что вы хотите, может быть изготовлено мгновенно на месте.
Создание чудесных новых изобретений атом за атомом впервые было предложено Ричардом Фейнманом в его фантастической лекции «Много места внизу». Эта идея получила распространение в 1980-х и 1990-х годах, чему способствовала научно-популярная работа К. Эрика Дрекслера. В воображении Дрекслера литейный цех для молекул поглощал потоки сырья и создавал объекты (например, 3D-принтер), а не начинал с больших масс материала и вырезал из них форму. Эта мечта волновала футуристов и писателей-фантастов. Это также вдохновило многих исследователей и студентов (в том числе и вашего покорного слугу) на исследования в области нанотехнологий.
Нанофабрикаторы возможны
Как заметил в своей лекции Фейнман, не существует физического закона, запрещающего молекулам и даже атомам собираться таким образом. Это не только правдоподобно, мы живое воплощение нанофабрикации. Клетки обладают механизмами, необходимыми для использования чертежей (ДНК) для кодирования сообщений (РНК), которые предоставляют инструкции молекулярным литейным заводам (рибосомам). И Природа больше не является единственным нанофабрикатором.
Человеческая изобретательность создала синтетические инструменты для работы в таком масштабе. Мы используем микроскопы с крошечными наконечниками сканирующих игл для наблюдения за отдельными атомами. Аспирант, работающий с таким микроскопом, может определить местонахождение одного атома или небольшой молекулы, хотя и с некоторыми трудностями. Мы также внедряем сложные химические процессы для синтеза большого количества новых химических веществ, таких как полимерные пластмассы.
Тем не менее, ни один из этих методов не подходит для нанопроизводства. Наши промышленные производственные процессы очень масштабны и очень грубы в атомистическом исчислении. Отливка, литье или механическая обработка небольшой детали - это грубая обработка триллиона триллионов атомов (при котором отклонение в пределах 100 000 атомов от конкретного проектного параметра является жестким требованием).
Наш студент с нано-манипуляторным микроскопом мог механически собирать атомы с высокой точностью, но для изготовления булавочной головки потребовалось бы время, превышающее возраст Вселенной. Таким образом, создание чего-либо из атомов с помощью гигантской машины слишком медленно и слишком сложно. Что нам нужно, так это крошечные машины - их много (и очень много) - для сборки значительных количеств материи из микроскопических строительных блоков.
Проблема с нанофабрикаторами
Дрекслер участвовал в знаменитом споре с лауреатом Нобелевской премии химиком Ричардом Смолли по поводу практической конструкции нанофабрикатора. Смолли, сам основатель и защитник области нанотехнологий, а также поклонник идей Дрекслера, не согласен с применением подхода промышленной инженерии к проблеме нанопроизводства.
Мы обычно синтезируем молекулы с помощью химии, а не механических манипуляций. Чем меньше молекула или частица, тем большую площадь поверхности они представляют по отношению к своему объему. В крошечных частицах преобладают поверхностные силы, которые заставляют их действовать так, как не действуют крупные частицы. Футбольные мячи не отскакивают от земли и не прилипают к нашим ногам в середине удара с такой силой, что мы не можем снова их оторвать. Наночастицы могут.
Смолли специально поднял этот вопрос в ходе дебатов. Он назвал это проблемой липких пальцев. Когда вы механически манипулируете молекулами и атомами, они склонны прилипать к вещам. Их нельзя легко переместить, не найдя чего-нибудь, к чему можно прилипнуть, и их нелегко сместить, как только они это сделают. Это относится не только к аппарату, но и к нежелательным атомам, оказавшимся поблизости.
Например, удержать свободный атом кислорода (O) от немедленного прилипания к другому атому O и образования O2 чрезвычайно сложно. Наша атмосфера не просто так состоит из O2, CO2 и H. 2O, а наш грунт состоит из кварца (SiO2), щелочного полевого шпата (минералы с группами O8), Al2O 3 и так много других окисленных соединений, что 47% массы земной коры составляет кислород по весу. Манипулировать изолированным атомом O или пытаться собрать что-то, в чем вы пытаетесь предотвратить работу кислорода, было бы очень сложно.
Смолли поднял второй практический вопрос. Нанофабрикатору, по-видимому, нужны крошечные механические руки для сборки. Чтобы эффективно схватить атом, «руки» на этих руках должны быть размером с атом или, самое большее, с несколькими атомами. Чтобы соединить два атома, потребуются «пальцы», удерживающие каждый атом. В идеале пальцы должны быть меньше атома, который они захватывают, чтобы перемещать его с высокой точностью. Беда в том, что палец не может быть меньше атома, и таким образом мы начинаем выбегать из «комнаты внизу». Смолли назвал это проблемой толстых пальцев.
Сборка молекул толстыми пальцами может стать еще более сложной задачей: молекулы нельзя просто соединить вместе. Чтобы соединиться желаемым образом, их нужно размещать в определенных ориентациях и при определенных условиях с большой осторожностью. Концепция химии - это путь молекулы по параметризованной координате реакции. Чтобы следовать правильному пути, скорее всего, потребуются более безупречно работающие крошечные пальцы.
Химический раствор?
Смолли, химик-исследователь-экспериментатор, затем предположил, что нанофабрикаторы могут вместо этого работать с помощью химии, как процессы внутри клеток. Он также страдает существенными недостатками, выявленными при более глубоком изучении возможных химических подходов. Первый подход - это нанофабрикатор, работающий с органическими молекулами, содержащимися в водной (водной) среде. Он будет манипулировать не отдельными атомами, а небольшими каталитическими молекулами (ферментами), чтобы стимулировать химические реакции, которые собирают более крупные молекулы из более мелких молекул компонентов.
Даже с помощью естественных механизмов, таких как ферменты, отбор, организация и связывание молекул все еще остается сложной задачей. Более того, эти процессы ограничены определенными типами молекул. Клетки производят белки и различные формы природных органических соединений, но они не строят металлические объекты. Они не создают полупроводники, которые мы используем для вычислений, и не создают многие другие высокотехнологичные материалы. Возможно, нанобудущее может состоять из органических композитов.
Если мы хотим использовать химические методы, не работая в воде или опираясь на клеточные процессы, Смолли утверждал, что для этого потребуется развитие «обширной области химии, которая ускользала от нас на протяжении веков».
Дрекслер возражает, что нанофабрикаторы не будут работать с помощью химии, но действительно будут использовать механический синтез. Он неоднократно описывает это усилие как инженерную задачу. Это показывает философское различие в дебатах о нанофабрикаторах. Менталитет Дрекслера похож на менталитет инженера, полагающего, что, как только известно, что проблема разрешима, это просто вопрос систематического применения известных моделей до тех пор, пока решение не будет найдено. Подход Смолли - это подход ученого, утверждающего, что проблема еще не может быть решена с помощью инженерных моделей, потому что лежащие в ее основе научные детали еще не полностью поняты.
Практическое нанопроизводство
Научное мышление сплотилось вокруг позиций Смолли. Это затормозило исследовательский толчок для нанопроизводителей. В то время как более широкая область нанотехнологий продолжается, она фокусируется на более мелких целях. Но это не поколебало веру некоторых футуристов в нанофабрикаторов и крошечных нанороботов (наноразмерных роботов), которых они будут производить. Некоторые прогнозы - например, толпы нанороботов, роящихся в нашем кровотоке и уничтожающих патогены, или омолаживающих наши тела, чтобы помочь нам жить вечно, или проникающих в наш мозг, чтобы сделать нас сверхумными, - кажутся немного глупыми.
На данный момент самое близкое, что мы подошли к практическому созданию нанотехнологий, - это полимеразная цепная реакция (ПЦР), важнейшее изобретение, лежащее в основе распространения секвенирования ДНК, тестирования на инфекционные заболевания и судебно-медицинской экспертизы. Вместо создания синтетических механизмов мы перепрофилируем клеточные механизмы для репликации молекул ДНК. Этот метод «молекулярного фотокопирования» генерирует экспоненциально большее количество молекул ДНК из нескольких исходных.
Следовательно, нанопроизводство, безусловно, возможно, хотя препятствия огромны. Но революция, которую это произведет для человеческой цивилизации, означает, что нанопроизводство слишком заманчиво, чтобы отказываться от него. Награда стоит затрат на терпеливое финансирование продолжающихся исследований.