Author: Nanofactory Collaboration
|
Desafios Técnicos Restantes para a Realização Versão 1.3
Há muitos desafios técnicos que devem ser superados para demonstrar a viabilidade de Diamantoide fabricação molecular, sistemas de máquinas moleculares, robótica em nanoescala e nanofábricas. O argumento científico básico para a viabilidade foi apresentado K. Eric Drexler em seu livro de referência de engenharia Nanosistemas (1992). Com base no trabalho de Drexle, Freitas tem defendido a viabilidade técnica da nanorobótica médica em sua série de livros técnicos Nanomedicina Vol. Eu (1999) and Nanomedicina Vol. IIA (2003), e Freitas e Merkle têm pesquisado o estado atual da arte na fabricação molecular em seu livro técnico Máquinas de auto-replicação cinemáticas (2004). Com o conceito ea utilidade potencial dos sistemas de máquinas moleculares bem estabelecidos por este trabalho preliminar, a comunidade técnica está agora começando a examinar seriamente essas propostas em maior detalhe para avaliar sua viabilidade. O ceticismo construtivo da comunidade técnica é tanto desejado como essencial para o Colaboração NanoFactory. É somente focalizando intensamente nos detalhes inumeráveis da execução que uma compreensão mais completa dos desafios e das limitações dos sistemas da máquina molecular pode ser conseguida. Desde 2001, estamos compilando uma lista crescente de desafios técnicos para a implementação de Diamantoide Fabricação molecular e sistemas de máquinas moleculares. Esta lista, que é longa, mas quase certamente incompleta, é paralela e incorpora as preocupações escritas expressas em comentários Philip Moriarty em 2005 e Richard Jones em 2006. Congratulamo-nos com estas críticas e encorajamos mais comentários construtivos – e sugestões para desafios técnicos adicionais que talvez tenhamos ignorado– em linhas semelhantes por outros. Nossa lista representa uma estratégia de pesquisa de longo prazo que serve como uma resposta direta à) chamado pelo NMAB/NRC Comitê de Revisão, no seu Congressionally-mandato revisao do NNI, para os proponentes de “química específica do local para fabricação em grande escala” A: (1) delinear orientações de pesquisa desejáveis que ainda não estão sendo adotadas pela comunidade de bioquímica; (2) definir e concentrar-se em algumas etapas experimentais básicas que são essenciais para o avanço de metas de longo prazo; E (3) delinear algumas “prova de princípio” estudos que, se bem-sucedidos, forneceriam conhecimento ou demonstrações de engenharia de princípios ou componentes-chave com valor imediato. Encorajamos os pesquisadores interessados a Colaboração NanoFactory para resolver definitivamente cada um dos desafios técnicos remanescentes, realizando os necessários e em alguns casos, investigações experimentais. A nossa lista actual de desafios técnicos está organizadaquatro categorias capacidades técnicas que acreditamos serem necessárias para o êxito da fabricação molecular de diamantoide posicional, permitindo o desenvolvimento nanofactory. Esta lista é actualmente a mais extensa na área de Mechanosíntese de diamantes (DMS) desde DMS tem sido o foco primário de nossos primeiros esforços no sentido da implementação nanofactory.
|
| (I) Desafios Técnicos para a Mecanossíntese Diamante
(a) Precisa de simulações computacionais of new mechanosynthetic tooltips (b) Necessidade de simulações computacionais de estruturas de alças de dicas de ferramentas com proporções de aspecto elevadas que permitam aproximação próxima dos locais de reação da peça de trabalho e (possivelmente, várias) dicas de ferramentas justapostas perto de um local de reação.
(a) Necessidade de simulações de interações tooltip-workpiece com superfícies de diamante (VASP ou software equivalente recomendado). (b) Necessidade de análise de trajetórias óptimas de aproximação ferramenta-peça de trabalho, configurações posicionais relativas ótimas de ferramentas e peças e mapeamento de envelopes de trabalho de dica em relação a parâmetros experimentalmente controláveis, como o estado de rotação da ferramenta, ângulos tooltip-workpiece e distâncias tooltip-workpiece. (c) Necessidade de avaliações analíticas e estatísticas sobre se a DMS mecanoquímica é confiável o suficiente para prosseguir sem verificação de erros. (d) Necessidade de enumeração e avaliação abrangentes de todos os estados patológicos que a peça pode DMS reação. Esta análise deve incluir reacção endo- / exoergicidade relativa ao estado desejado, barreiras aos estados patológicos e estados patológicos intermediários / transitórios que a peça de trabalho pode adoptar durante a DMS reacção ou após a DMS reacção está completa. As densidades de defeitos da peça devem ser controladas e eliminadas.
(a) Necessidade de estudos de possível congestionamento estérico entre tooltips próximos. Muitos grupos que estão trabalhando em sistemas de sonda de varredura de sonda dupla encontraram limites fundamentais sobre quão próximas duas sondas podem ser colocadas, devido ao raio finito de curvatura das pontas de sonda de varredura existentes. DMS os modos de falha podem assim incluir impedimento estérico de reacções desejadas, possível reconstrução atómica de estruturas de pega de ferramenta que são colocadas muito próximas umas das outras e danos mecânicos imediatos devido ao choque de pontas. A combinação tooltip / handle ideal terá uma relação de aspecto alta para permitir a aproximação máxima de tooltips. Os limites dos envelopes operacionais de tooltips estreitamente justapostos devem ser quantificados teoricamente e experimentalmente.
(a) Necessidade de simulações e estudos examinando tooltips com sites radicais expostos que são colocados em ambientes de vácuo experimental realista. Necessidade de avaliação do risco de intoxicação por sítios radicais devido a contaminantes dispersos e estimativas do tempo de vida esperado destes locais radicais expostos em tais ambientes de vácuo. Que nível de vácuo é o mínimo necessário para que a vida útil da ferramenta seja suficiente para DMS processos? Alguns contaminantes provavelmente são piores do que outros? (b) Necessidade de simulações e estudos que examinem peças e superfícies diamantoides com locais radicais expostos que são colocados em ambientes de vácuo experimentais realistas. Necessidade de avaliação do risco de intoxicação por sítios radicais devido a contaminantes dispersos e estimativas do tempo de vida esperado destes locais radicais expostos em tais ambientes de vácuo. Que nível de vácuo é o mínimo necessário para vidas de superfície adequadas da peça ou diamantoide para permitir DMS processos? Alguns contaminantes provavelmente são piores do que outros? (c) Necessidade de pesquisa de sistemas de vácuo existentes e disponibilidade de vácuos ultra-altos. Também é necessário avaliar o provável aumento do risco de contaminação do espaço de trabalho a partir de fontes que não sejam pontas de ferramentas e peças de trabalho, particularmente desgaseificação (desorção) de moléculas contaminantes de superfícies, alças de dicas, selos ou outros mecanismos que possam estar presentes no volume do espaço de trabalho.
(a) Necessidade de desenho e simulação de DMS Sequências de reação que minimizam a reconstrução da peça de trabalho, da dica de ferramenta e da estrutura intermediária e que mantêm a passivação adequada das estruturas intermediárias da peça de trabalho. (b) Necessidade de projetar e simular procedimentos de recarga de dicas para dicas de ferramentas descarregadas. (c) Necessita de uma definição concisa de um conjunto mínimo de ferramentas e um conjunto mínimo de DMS, Incluindo sequências de reacção de construção de diamante específicas, que são necessárias e suficientes para construir estruturas de diamante simples (por exemplo, Merkle (1997), Freitas (2007)). (d) Extensão e elaboração de conjuntos de ferramentas mínimos suficientes para DMS, incluindo a fabricação controlada de forma posicional de estruturas côncavas, curvadas e de diamantóides de concha esticada.
(a) DMS deve ser estendido a átomos diferentes de C e H, garantindo idealmente uma combinação de densidade de ligação pendente próximo a zero, barreiras de difusão elevadas e ligações covalentes direccionais.
(a) As pequenas estruturas de diamantoide comumente previstas para as partes nanomecânicas (e suas estruturas intermediárias durante e após cada DMS reação no processo de fabricação) estruturalmente estável, ou eles reorganizam? Pesquisas recentes sobre rearranjos de nanodiamantes serão instrutivas e devem ser amplamente revisadas, juntamente com a literatura que descreve os efeitos da passivação / despassivação de H e da temperatura na natureza e na freqüência das reconstruções de superfície. (b) Se essas pequenas estruturas diamantoides reorganizar, o rearranjo é regular e confiável, ou aleatório e multiestrutural? O rearranjo pode ser invertido, por exemplo, por repassivação da superfície reconstruída, tal como com a superfície de diamante C (111)? O rearranjo pode ser ignorado, como no caso de um identificador de ferramenta que se rearranja de uma forma conhecida, mas relativamente inofensiva, depois que ela é fabricada (isto é, de uma maneira que não afeta a confiabilidade da química controlada positivamente que ocorre na ponta )? (c) Necessidade de uma revisão da literatura e estudos teóricos suplementares sobre a propensão da superfície de diamantoides a sofrer grafitização e as condições sob as quais esta patologia estrutural pode ocorrer. (d) Necessidade de uma revisão da literatura e estudos teóricos suplementares sobre a propensão e a taxa de migração de espécies adscritas através das três principais superfícies de diamante, incluindo também migrações ao longo de bordas e estruturas de canto, em torno de bordos de furos e em regiões convexas e côncavas, em função do tipo de espécie E temperatura do sistema. Estes estudos devem incluir uma análise e quantificação de quaisquer barreiras à difusão e migração de superfície. (e) Necessidade de um estudo da extensão em que a fotoexcitação leva a uma má reação e rearranjo dessas estruturas (e seus intermediários durante a fabricação). (f) Necessidade de um estudo de até que ponto a presença ea distribuição geométrica de ligações esticadas eo grau de tensão influenciam a reconstrução de nanopartas de diamantoide pequeno e suas estruturas intermediárias. (g) Química quântica adequada cálculos (por exemplo, ab initio, Teoria Funcional da Densidade) são necessários para determinar a estabilidade estrutural e química das peças da máquina diamantoide alvo, produzindo a estrutura estável em equilíbrio (a estrutura com a energia livre mais baixa global). Simulações de mecânica molecular por si só não podem determinar com. (h) São necessárias simulações de dinâmica molecular empregando química quântica (por exemplo, AIMD) para sondar a estabilidade cinética de estruturas metaestáveis. Estruturas metastables são estruturas que não estão em equilíbrio, mas que têm uma probabilidade suficientemente baixa de transformar para o estado (não desejado) mais estável que eles ainda podem ser úteis para fins de nanoengenharia prática. A avaliação da utilidade das estruturas metaestáveis requer o cálculo da barreira energética que impede a reconstrução e assegura que a energia disponível no sistema (seja térmica, mecânica ou outra) é insuficiente para empurrar o sistema metaestável sobre essa barreira. (i) Somente um pequeno subconjunto de superfícies não terminadas não se reconstrói. Precisa de uma revisão de todas as superfícies (passivada e não passivada) que se sabe não reconstruir. Isto fornecerá uma lista de alvo precoce para tentativas DMS. O exemplo mais conhecido de uma superfície não reconstrutiva é a superfície do diamante C (110). Uma revisão mais ampla subseqüente do fenômeno geral de reconstrução de superfície ajudaria a priorizar a lista de alvos secundários para futuras experiências de mecanosíntese. Para este estudo mais amplo, deve haver uma ênfase analítica em cerâmicas covalentes rígidas e sólidos relacionados, e em nanoclusters & lt; 10 nm de tamanho que são mais diretamente análogos aos nanoparts mecânicos propostos tais como engrenagens e rolamentos que podem conter até 104 Átomos cada. (j) precisa-se de um estudo definitivo para determinar se a superfície C (111) não-passivada irá reconstruir espontaneamente ou abaixo da temperatura ambiente e determinar abaixo qual limiar de temperatura, se houver, não reconstruirá. (k) Necessidade de quantificar o impacto DMS confiabilidade e repetibilidade dos fenômenos de relaxamento superficial, diferentemente de fenômenos de reconstrução de superfície, por exemplo, como descrito por Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff et al (1994), Venables (2000), e Luth (2001). Os efeitos de relaxamento podem ser significativos em muitos materiais diamantoides, mais notavelmente no caso da safira (alumina, Al2O3) onde as relaxações de íons de oxigênio superficiais podem atingir ~ 50% do espaçamento entre camadas na face hexagonal (0001).
(a) Necessidade de projetar e simular a apresentação de moléculas de matéria-prima amarradas a superfícies fixas, para fácil captação por ferramentas de deposição mecano-sintéticas, bem como a gama de movimentos e procedimentos para aquisição de moléculas de matéria-prima em uma dica de ferramenta controlada posicionalmente a partir de uma superfície de apresentação de molécula de matéria-prima. (b) Alternativamente, a ligação, transporte através de superfícies de barreira, e posicionamento de moléculas líquidas ou gasosas de alimentação inicialmente não limitadas inicialmente (por exemplo, acetileno ou C2H2) deve ser explorada com vista à concepção de locais de ligação baseados principalmente em propriedades estéticas moleculares (forma) que podem ser manipuladas de forma flexível para utilização em sistemas de fabrico molecular.
(a) A nova capacidade experimental mais necessária é o desenvolvimento de um sistema de posicionamento SPM de baixo ruído com precisão de posicionamento de sub-Angstrom (0.2-0.5) altamente repetitivo em caminhos de ida e volta de 1 mícron, acoplado a um sistema de coordenadas de precisão sub-nanométrico Pelo menos dezenas de microns. (b) Precisa de um sistema de posicionamento que minimize a histerese e a folga, ou que, no mínimo, execute de maneira suficientemente repetitiva para garantir a precisão de posicionamento da ferramenta em 0.2-0.5 Angstroms. (c) Extensão de sistemas de nanoposição de ponta múltipla, aumentando os graus de liberdade possíveis para o posicionamento de uma única molécula (por exemplo, tendo rotação da peça e inclinação disponíveis durante eventos de manipulação) em sistemas iniciais e possivelmente para incluir, em sistemas posteriores, o controle em malha fechada de Um sistema AFM de ponta dupla com pelo menos 5 graus de liberdade por tooltip (6 DOF por dica seria melhor para garantir que possamos alinhar com precisão as dicas de ferramentas). (d) Devem ser fornecidos ambientes UHV Ultraclean com contaminação mínima. Um típico vácuo de UHV ~10-9 em média, ~ 1000 segundos antes que o envenenamento de um local de radicais expostos possa ocorrer devido a um impacto de átomos, íons e moléculas contaminantes dispersos. A capacidade de trabalhar em pequenos volumes ajudaria. Por exemplo, um vácuo de 1 nanotorr dentro de uma caixa fechada de 10.000 m3 contém, em média, muito menos do que uma molécula contaminante - geralmente fazendo, de fato, um vácuo perfeito. (e) O controle por computador de trajetórias, rotações e posicionamento deve ser estudado, com o objetivo final de automatizar DMS de forma que as nanoestruturas possam ser fabricadas de acordo com um.
(a) Necessidade de novos métodos de registro de posição e alinhamento da dica de ferramenta em relação ao local de reação alvo na peça de trabalho. Mesmo uma discrepância extremamente pequena no alinhamento da dica de ferramenta resultará em formação de ligação não desejada. No caso de uma ponta multitool, cada ferramenta deve ser capaz de alinhamento de precisão e posicionamento sobre o local de reação apropriada da peça. (b) Necessidade de registro de posicionamento repetível e alinhamento de uma ferramenta nova ou retornada, em relação a um local de peça de trabalho visitado anteriormente por uma dica de ferramenta, com precisão suficiente para permitir erros de baixo erro DMS. (c) Necessita de rotação e inclinação repetidas de uma dica de ferramenta nova ou de retorno, em relação a um site reativo de peça, com precisão suficiente para permitir erros de erro baixos DMS. pequenas alterações na inclinação da ferramenta são Previsto para alterar a exoergicidade da reação, barreiras de reação e confiabilidade da reação. (d) Necessidade de conceber métodos para o registro posicional de várias dicas de ferramentas próximas. Como se localiza uma ferramenta, em relação a outra, para realizar uma etapa mecanosintética que requer a ação coordenada de duas ou mais dicas de ferramentas? Este problema aplica-se tanto a posições de dica relativas como a rotações relativas de dica de ferramenta. (e) A capacidade experimental para troca múltipla será necessária para DMS sistemas de demonstração. Geração posterior “mill” tipo DMS sistemas podem empregar peças de trabalho e ferramentas afixadas a um sistema de transporte em movimento que as transporta ao longo de trajetórias predeterminadas durante as quais elas são descarregadas, então recarregadas, em uma seqüência repetitiva. (f) Precisa de métodos para garantir um controle preciso sobre a química e a estrutura da dica de ferramenta de modo que reações específicas sejam possíveis com um alto grau de confiabilidade.
(a) Precisa Propostas (e criticas De propostas) que descrevem como construir tooltips mechanosynthetic com estruturas apropriadas do punho, usando as técnicas que são experimental acessíveis hoje. (Os sistemas de última geração podem usar dicas de ferramentas para fazer dicas de ferramentas, um processo muito mais rápido e eficiente.) (b) precisa de métodos para caracterizar as dicas de ferramentas, uma vez que elas foram fabricadas, sem destruí-las ou desativá-las. Isto será especialmente importante nos estágios DMS experimentação quando nossa experiência com (e compreensão de) tais sistemas está em seu mais baixo ebb.
(a) Na área experimental, estamos buscando experimentalistas dispostos e capazes de realizar demonstrações laboratoriais de (1) simples DMS ou (2) capacidades específicas requeridas necessárias para realizar operações de mecanosíntese mais sofisticadas. (b) Necessita de uma revisão da literatura experimental e de qualquer trabalho experimental suplementar necessário para caracterizar completamente o comportamento das superfícies de diamante C (111), C (110) e C (100) sob várias condições que podem ser encontradas durante DMS. (c) Necessidade de uma análise da utilidade do teste condicional de estados intermediários da peça durante DMS Fabricação e dos métodos mais apropriados para fazer isso. O registro de tooltip / workpiece, combinado com medições de feedback de força e de posição durante DMS passo da reacção, suficiente para garantir DMS ou a realização de testes condicionais ea caracterização do local de reação da peça entre cada etapa necessária para DMS confiabilidade? Acredita-se que o teste de estados intermediários da peça de trabalho pode ser essencial nos DMS experimentação. À medida que a experiência com esses sistemas cresce e o conhecimento é acumulado sobre o intervalo normal de respostas durante as interações tooltip-workpiece, pode ser possível eliminar em grande parte os testes passo a passo, substituindo os testes de produtos finais e spot-checking por fins de controle de qualidade . A eliminação dos testes passo-a-passo é provavelmente fundamental para a paralelização e DMS-sistemas de fabricação baseados, especialmente sistemas de moinho.
(a) Necessidade de demonstração experimental de mechanosynthetic pura (isto é, apenas forças mecânicas, nenhum campo elétrico envolvido) H abstração, de preferência em uma superfície de diamante. (b) Necessita de demonstração experimental de doação H puramente mecanosintética, preferencialmente sobre uma superfície de diamante. (c) Necessidade de demonstração experimental de mechanosynthetic puro C2 dímero (ou outra porção de hidrocarboneto simples), de preferência sobre uma superfície de diamante. (d) Necessidade de demonstração experimental de uma sequência puramente mecanossintética de dois ou mais DMS reacções sobre ou perto do mesmo sítio reactivo na mesma peça de trabalho, por exemplo, duas abstrações H adjacentes numa superfície de diamante, ou C2 dímero em C (110) seguido por doação de H sobre a posição previamente colocada C2 dimero. (e) Necessita de demonstração experimental da capacidade de realizar uma seqüência DMS operações em uma superfície de diamante, resultando na fabricação verificável de uma nova estrutura diamantoide sobre essa superfície. (f) Necessidade de demonstração experimental de uma fabricação puramente mecanossintética de uma nanoestrutura diamantoidal 3D significativa. (g) Necessidade de demonstração experimental de uma fabricação puramente mecanossintética de uma estrutura 3D diamantóide de concha esticada.
(a) Necessidade experimental demonstração da capacidade de H-passivate, ou H-depassivate, diamante superfícies em simultâneo vários sites via paralela tooltip arrays. (b) Necessidade de ensaios experimentais de outros tipos de operações mecanosíntticas que demonstrem pelo menos o potencial de paralelização DMS dicas de ferramentas.
(a) Seria útil ter uma biblioteca completa de estruturas de adamantano de ocorrência natural, catalogadas de acordo com o tamanho, estrutura geométrica, contagem de átomos, ligação / conectividade, disponibilidade após extracção a partir de petróleo natural, e assim por diante. Isto nos indicaria quais as partes que ocorrem naturalmente podem estar prontamente disponíveis em grandes quantidades para processamento posterior em nanoestruturas mais complexas, tais como rolamentos, engrenagens e similares, ou para testar o desempenho de sistemas de manipulação experimental de fase inicial. (b) Deve-se investigar a possibilidade de construir nanopartes de diamantoides a partir de primitivos de blocos adamantanos. Se isso for possível, isso poderá reduzir algumas das necessidades de precisão DMS Para ser empregado no fabrico dos quadros de gaiola básicos de nanopartes de diamantoide. Precisão DMS seriam ainda necessários para a adição ou modificação de características de superfície de nanopart essenciais e para a união covalente de primitivas de adamantano em agregados maiores durante o processo de fabrico de nanopart diamantoide.
|
| (II) Desafios Técnicos para a Montagem Posicional Programável
(a) Controlado positivamente garras devem ser concebidos de forma a poderem agarrar e depois manipular nanopartas acabadas, transportá-las para outro local ou manipulá-las numa série de etapas de montagem, tais como uma operação de inserção de peças (uma cavilha encaixada num orifício complementar) ou outra operação de montagem semelhante, Em que as peças pequenas são combinadas mecanicamente para fazer nanoparts compostos maiores que incluem a ligação de van der Waals. As ferramentas manipuladas destinadas a ser utilizadas para a construção de nanomáquinas compostas a partir das suas partes componentes podem ser significativamente diferentes na concepção de ferramentas manipuladas destinadas a ser utilizadas para a mecanosíntese. Por exemplo, as dicas de ferramentas mecanossintéticas terão geralmente quase exclusivamente reactividade de formação de ligação covalente, enquanto que as dicas de ferramentas de montagem podem empregar principalmente van der Waals ou outros sistemas de ligação fracos para agarrar as peças, embora a ligação covalente fraca (por exemplo, ligações dativas, ligações Sn- Etc) também pode ser usado. (b) Necessidade de métodos para fixar a pinça ao sistema de posicionamento fino, mantendo a rigidez e a capacidade de accionar a pinça. (c) Necessita da capacidade de trocar um mecanismo de pinça por outro na ponta SPM. Isto implica um requisito de corolário para a concepção de estruturas de depósito para o conveniente armazenamento temporário e recuperação de mecanismos de preensão não utilizados.
(a) Necessita de projetos para nanoescala e atuadores moleculares. Esses projetos devem ser gerados considerando a necessidade de uma futura integração em grande escala dos atuadores em máquinas de nanoescala e devem incluir a consideração de possíveis futuros sistemas multi-atuadores.
(a) Necessidade de projetar e simular a apresentação de nanopartas amarradas a superfícies fixas, para fácil captação por ferramentas de montagem, bem como a gama de movimentos e procedimentos para a aquisição de nanopartas em uma ferramenta de montagem posicionalmente controlada a partir de uma superfície de apresentação nanopart. (b) Em alternativa, a ligação, o transporte através de superfícies de barreira e o posicionamento de nanopartas inicialmente não limitadas na posição que flutuam num líquido transportador líquido ou gasoso devem ser exploradas com vista à concepção de locais de ligação nanopart que podem ser manipulados de forma flexível para utilização em sistemas de fabrico molecular.
(a) Necessidade de análise de como construir nanoparts e / ou suas estruturas intermediárias em pilares ou superfícies destacáveis, em seguida, pegá-los.
(a) Necessidade de projetar as seqüências de etapas de montagem necessárias para montar uma coleção específica de peças em um objeto montado específico, por plano de planta. Isto inclui deve incluir movimentos relevantes para a aquisição de peças e estiva do objeto de produto acabado em áreas de depósito.
(a) Necessidade de análises químicas e dinâmicas quantitativas de possíveis reconstruções (e estabilidade química) de nanopartas móveis que são colocadas em contato íntimo com outras nanopartas móveis durante as operações de montagem.
(a) Precisa de pinças nanopart reversíveis como end-efectores em pontas SPM. As pinças devem ser capazes de accionamento remoto e / ou condicional. (b) Os sistemas SPM a serem utilizados para o trabalho de montagem podem requerer menos precisão na colocação de posição, mas uma capacidade para aplicar forças maiores e em direções mais complexas (por exemplo, movimentos de torção que aplicam torques circulares ou helicoidais, movimentos de rosca / inserção, etc.). A fabricação de um produto com precisão atômica a partir de nanopartículas em escala nanométrica não requer precisão atômica no posicionamento nanopart, mas apenas precisão de posição suficiente para distinguir a estrutura de montagem desejada das estruturas de montagem patológicas adjacentes. (c) Deve desenvolver um método de atuação que possa ser facilmente controlado em paralelo e potencialmente escalável.
(a) Necessita de peças projetadas para fácil agarramento e manipulação. (b) Precisa de esquemas de apresentação de peças eficientes. (c) Investigar a possibilidade de adesão de peças controladas durante a montagem controlada posicionalmente. (d) Investigar a possibilidade de paletização nanopart. (e) Investigar a possibilidade de DMS-baseada em nanopart numa superfície sacrificial que é dissolvida, liberando nanoparts em um fluido transportador.
(a) Necessidade de demonstração experimental da capacidade de encontrar e recuperar com precisão nanoparts de entrada de uma superfície de apresentação de peças ou depósito de peças. (b) Necessidade de demonstração experimental de união puramente mecânica de dois ou mais nanoparts em um objeto de produto mais complexo. (c) Necessidade de demonstração experimental da capacidade de colocar de forma estável objectos acabados de produto montado numa superfície de armazenamento de produto ou depósito de produto, num local e orientação conhecidos. (d) Necessita de demonstração experimental de uma operação puramente mecanossintética de inserção e / ou rosqueamento. (e) Precisa de demonstração experimental da capacidade de adquirir dois objetos de produto e juntá-los para formar um objeto de produto mais complexo.
|
| (III) Desafios Técnicos para Assembleia Posicional Massivamente Paralela
(a) Análise das necessidades e propostas para DMS paralelização. O objetivo de fazer mechanosynthesis operacional deve logicamente preceder (como um objetivo da pesquisa) o objetivo de fazer mechanosynthesis maciçamente paralelizado. (b) Necessidade de análise e propostas de como construir manipuladores altamente precisos com alta repetibilidade e estabilidade, possivelmente com DOF múltiplo na ponta, que podem ser dispostos em matrizes maciçamente paralelas para permitir paralelas massivamente paralelas DMS Processamento de peças de trabalho. Estes podem ser capazes de servir como componentes principais de sistemas de produção de alto rendimento. Essas matrizes não são SPMs de hoje, mas podem ser os descendentes tecnológicos dos SPMs de hoje. (c) Necessidade de uma análise de projeto da utilidade e requisitos para incorporar vários níveis de redundância em sistemas de produção paralelamente paralelos. (d) Os sistemas de nível inferior DMS fabricação ou nanopartas operações de montagem deve ser demonstrada para ser escalável para sistemas maiores, ou redesenhado para permitir essa escalabilidade.
(a) Necessidade de projetar sistemas de controle para conjuntos de montagem de peças de bilhões de workstations operados paralelamente. Isso inclui a implementação de sistemas de atuação controlados. (b) Necessidade de análise da confiabilidade e taxas de erro em grandes sistemas de montagem de peças. Estudos de concepção tolerante a falhas para sistemas de produção paralelamente.
(a) Necessita de software capaz de simulações integradas multinível de grandes subsistemas e sistemas de nanofactories. (b) Necessidade de software de planejamento de fluxo de trabalho para sistemas de montagem massivamente paralelos. |
| (IV) Desafios Técnicos para o Desenho Nanomecânico
(a) Necessidade de estabelecer bibliotecas de nanopartas catalogadas em formatos CAD-utilizáveis. (b) Nanoparts e nanoassemblies devem empregar o projeto para a montagem eo projeto para a filosofia da análise e da validação. (c) Necessidade de análise de estruturas derivadas em análises anteriores (ver acima) para determinar quantas nanopartas e superfícies materiais diferentes podem ser necessárias para constituir um conjunto completo de componentes estruturais e funcionais de baixo nível suficientes para a fabricação molecular.
(a) Precisa software que pode modelar e simular de forma confiável a operação cinemática de peças de máquinas diamantoides. (b) Necessidade de desenvolver um CAD / sistema de simulação capaz de realizar simulação de dinâmica molecular de inúmeras partes interagindo e de prever com precisão a confiabilidade e características físicas de suas interações. (c) Precisa de um projeto detalhado para um nanomotor, com simulações atomísticas de pelo menos os componentes-chave. Os materiais devem ser especificados e a estabilidade química das estruturas resultantes deve ser testada. A utilização de qualquer tipo de metal pode provocar sérios problemas de estabilidade da superfície e pode ocorrer falha devido à adesão de superfícies de contacto, mas podem ser utilizados grafenos metálicos, diamantes dopados ou outros materiais covalentes rígidos relevantes. Precisão requintada no posicionamento também pode ser necessária devido à dependência exponencial da corrente de túneis com a separação. (d) Precisa de um projeto detalhado para uma bomba de molécula-seletiva, com simulações atomísticas de pelo menos os componentes-chave, especialmente os locais de ligação e mecanismos de acionamento. Um alvo útil pode ser um desenho de nível molecular de uma válvula selectiva ou sistema de bomba baseado em materiais rígidos que admite uma molécula escolhida, excluindo, por exemplo, oxigénio e água com uma eficiência de quase 100%. (e) Drexler’s Nanosistemas Estabelece um quadro para estimar os efeitos do ruído térmico, que é então aplicado a um projeto de engenharia no cálculo da incerteza posicional na ponta de um posicionador molecular. Isto mostra que a incerteza posicional pode ser feita para ser inferior a um diâmetro atómico uma condição necessária, se não suficiente, para que tais dispositivos funcionem. Mas também precisamos de uma gama mais ampla de simulações de dinâmica molecular de nanomáquinas mais complexas operadas em nitrogênio líquido e temperaturas ambiente, nas quais tanto o próprio mecanismo como suas montagens estão sujeitos a ruído térmico. (f) Necessidade de uma revisão do novo corpo de trabalhos experimentais e de simulação nanotribology (Nanoescala), seguido de uma avaliação de suas implicações (se houver) para o desempenho de nanotecnologia. Por exemplo, a superlubricidade de grafite incomensurável e grafeno incomensurável superfícies deslizantes foi demonstrada experimentalmente. Outras informações sobre a escala do problema e quaisquer constrangimentos de projeto específicos que possam impor podem ser obtidas por simulações dinâmicas moleculares quantitativas de sistemas nanomecânicos simples e conduzidos. Mesmo valores baixos de atrito podem comprometer a operação da nanomáquina, gerando altos níveis de aquecimento local, o que pode diminuir a estabilidade química de tais dispositivos. A fuga de energia dos modos de condução das máquinas para os modos de vibração aleatórios, de maior frequência que constituem o calor pode ocorrer sempre que as ligações químicas são esticadas para além do intervalo sobre o qual são bem aproximadas por um potencial harmónico (isto é, obedecendo à lei de Hooke) Embora pareça possível conceber sistemas onde os modos desejados e os modos dissipativos estejam suficientemente desacoplados para permitir eficiência de 99% +, muito superior aos sistemas macroscale análogos. (g) Necessidade de revisão de literatura, simulações definitivas e avaliação do impacto da difusão de hidrogênio através de superfícies diamantoides e cristal em massa. (h) Necessidade de revisão de literatura, simulações definitivas e avaliação de efeitos de danos de radiação na confiabilidade de estruturas e operações mecânicas de diamantoides.
(a) Necessidade de simulações abrangentes de operações nanofactory. Note-se que um quilograma de produto fabricado, se feito de diamante puro, ~50 x 1024 Átomos de carbono, exigindo ~50 x 1024 DMS operações assumindo ~1 DMS Operação por átomo de C colocado; E ainda um computador desktop moderno executa sem falhas ~1024 transistor por dia. Se DMS as operações em um sistema de fabricação maduro podem ser feitas tão simples e confiáveis quanto as operações de transistor primitivas em um chip de computador eletrônico moderno, então o nível de complexidade inerente às operações nanofatórias pode ser considerado considerável, mas não inconcebível. (b) O espaço de projeto de arquiteturas nanofatórias básicas deve ser pesquisado e avaliado, embora o espaço seja provavelmente muito grande para uma avaliação abrangente. Um bom projeto nanofactual deve ser um sistema capaz de bootstrap, deve exibir facilidade de reprogramação, deve permitir acessibilidade geométrica máxima para peças durante o fabrico, deve apresentar máxima confiabilidade durante a operação, deve ser seguro e exibir não-viável, deve ser construível e deve permitir a limpeza Fabricação e operação livre de poluição. (c) Necessidade de investigar possíveis requisitos para o controle de processo e a instrumentação de monitoramento de equivalência de macroscala em nanofábricas, incluindo sensores, chaves de fim de curso e similares, constituindo loops de realimentação sensorial que permitem a atuação condicional. E se DMS sequências de fabrico e sequências de montagem de peças podem ser concebidas para minimizar ou eliminar reconstruções indesejáveis ou outras patologias estruturais, então a necessidade de detecção inline convencional é grandemente reduzida (juntamente com o número de modos de falha possíveis). (d) Necessidade de investigar projetos para linhas de produção redundantes, com quantificação de desempenho e tradeoffs de design, incluindo o número de linhas de produção paralelas, o tempo médio de quebra de uma determinada linha de produção, o número ótimo de caminhos de trabalho alternativos através da nanofábrica, Número e localização dos shunts de fluxo de produção e assim por diante, para determinar a confiabilidade e eficiência da operação de fabricação global.
|