Nanofactory Collaboration

Sursă Originală: http://www.molecularassembler.com/Nanofactory/Challenges.htm


Remedierea provocărilor tehnice pentru realizarea 
producției moleculare de 
diaminoide pozitive și a nanofactoriilor diamantoidale

Versiunea 1.3 


Există multe provocări tehnice care trebuie depășite pentru a demonstra fezabilitatea fabricării moleculare diamantoidale , a sistemelor de mașini moleculare, a roboticii nanometrice și a nanofactoriilor. Cazul științific de bază pentru fezabilitate a fost inițial prezentat de K. Eric Drexler în manualul său de inginerie Nanosystems (1992) . Bazându-se pe munca lui Drexler, Freitas a susținut fezabilitatea tehnică a nanoroboticelor medicale în seria sa de cărți tehnice Nanomedicine Vol. I (1999) și Nanomedicine voi. IIA(2003) , iar Freitas și Merkle au analizat stadiul actual al tehnicii de fabricație moleculară în cartea lor tehnică ” Kinematic Self-Replicating Machines” (2004) .Cu conceptul și utilitatea potențială a sistemelor mașinilor moleculare bine stabilite de această lucrare preliminară, comunitatea tehnică începe acum să examineze în mod serios aceste propuneri în detaliu pentru a le evalua fezabilitatea. Scepticismul constructiv al comunității tehnice este atât dorit, cât și esențial pentru succesul colaborării cu Nanofactory . Numai prin concentrarea intensă asupra detaliilor de implementare se poate realiza o înțelegere mai completă a provocărilor și limitărilor sistemelor mașinilor moleculare.Începând cu anul 2001, am elaborat o listă tot mai mare de provocări tehnice pentru implementarea proceselor de fabricare a moleculelor de diamantoide și a mașinilor moleculare. Această listă, care este lungă, dar aproape sigur incompletă, paralelă și încorporează preocupările scrise exprimate în comentarii amănunțite de Philip Moriarty în 2005 și Richard Jones în 2006. Salutăm aceste critici și încurajăm comentarii suplimentare constructive și sugestii pentru provocări tehnice suplimentare poate că am trecut cu vederea – pe linii similare de alții.Lista noastră reprezintă o strategie de cercetare pe termen lung , care servește ca un răspuns direct la recenta (2006) , apelul de / NRC Comitetul de revizuire a NMAB , în lor Congressionally-mandatat de revizuire a NNI, pentru sustinatorii „ chimie-site – ul specifice pentru mare – producția de scară ” pentru a: (1) delimita direcțiile de cercetare dorite care nu sunt deja urmărite de comunitatea biochimică; (2) să definească și să se concentreze asupra unor etape experimentale de bază care sunt esențiale pentru avansarea obiectivelor pe termen lung; și (3) să sublinieze unele ” dovezi ale principiului ” studii care, dacă ar reuși, ar oferi demonstrații de cunoștințe sau de inginerie a principiilor-cheie sau a componentelor cu valoare imediată.Vom încuraja cercetătorii interesați să se alăture colaborării cu Nanofactory pentru a ne ajuta să rezolvăm definitiv fiecare dintre provocările tehnice rămase, efectuând investigațiile teoretice – și, în unele cazuri, experimentale – necesare.Lista noastră actuală de provocări tehnice este organizată în cele patru categorii de capacități tehnice pe care credem că sunt necesare pentru realizarea cu succes a producției moleculare de diamantoid pozițional , care să permită dezvoltarea nanofactorilor. Această listă este în prezent cea mai extinsă în domeniul mecanosintezei diamantelor (DMS), deoarece DMS a fost punctul central al eforturilor noastre inițiale care au dus la implementarea nanofactory. 
(I) Provocări tehnice pentru mecanismul de diamant
(A) TEORETICĂ
(1) Proiectarea și simularea instrumentelor DMS  
        (a) Aveți nevoie de simulări computaționale ale unor noi sfaturi de mecanisointeză  
        (b) Aveți nevoie de simulări computaționale ale structurilor mânerului de instrument care să aibă rapoarte de aspect înalte, care să permită apropierea imediată a locurilor de reacție ale pieselor de prelucrat și a (posibil mai multor) vârfuri de instrumente situate lângă un loc de reacție.

(2) Proiectarea și simularea interacțiunilor dintre piesele de lucru și piesele de lucru  
        (a) Aveți nevoie de simulări ale interacțiunilor dintre piesele de lucru și suprafețele diamante ( VASP sau software echivalent recomandat).  
        (b) necesitatea de a analiza traiectoriile optime de abordare a pieselor de lucru, configurațiile optime pozitive relative ale uneltelor și piesei de lucru și cartografiere a plicurilor de lucru de tip tooltip în raport cu parametrii controlați experimental, cum ar fi starea de rotație a instrumentului, unghiurile piesei de lucru și distanța între piesele de lucru și piesele de lucru. 
         (c) Aveți nevoie de evaluări analitice și statistice dacă mecanica chimică DMS este suficient de fiabilă pentru a continua fără a verifica erorile. 
         (d) Aveți nevoie de enumerare cuprinzătoare și de evaluare a tuturor stărilor patologice pe care piesa de prelucratoare le poate adopta în timpul unei reacții DMS . Această analiză trebuie să includă endo- / exoergicitatea reacției în raport cu starea dorită, barierele față de stările patologice și stările intermediare / tranzitorii patologice pe care piesa de prelucrat poate adopta în timpul reacției DMS sau după ce reacția DMS este completă. Densitatea defecțiunilor piesei de lucru trebuie controlată și eliminată.

(3) Proiectare si simulare de interactiuni instrumentale-scule 
         (a) Aveți nevoie de studii privind posibilele congestii sterice între vârfurile de instrumente apropiate. Multe grupuri care lucrează la sistemele de sonde cu scanare duală au întâlnit limite fundamentale cu privire la cât de aproape pot fi amplasate două sonde datorită razei finite de curbură a vârfurilor sondei de scanare existente. DMS modurile de insuficiență pot astfel să includă împiedicarea sterică a reacțiilor dorite, posibila reconstrucție atomică a structurilor mânerului de instrument care sunt aduse prea strâns împreună și daune mecanice indirecte datorate ciocnirii vârfurilor. Combinația optimă de instrumente / mâner va avea un raport de aspect ridicat pentru a permite o apropiere maximă a vârfurilor de instrument. Limitele plicurilor de operare ale vârfurilor de juxtapunere apropiate trebuie să fie cuantificate atât teoretic, cât și experimental.

(4) Simularea interacțiunilor mecanosintetice în mediul realist de vid  
        (a) Aveți nevoie de simulări și studii care să examineze instrumentele de lucru cu site-uri radicale expuse care sunt plasate în medii experimentale realiste de vid. Este necesară evaluarea riscului de otrăvire a site-urilor radicale din cauza contaminanților stăpâni și estimări ale duratei de viață preconizate a acestor situsuri radicale expuse în astfel de medii de vid. Ce nivel de vid este minimul necesar pentru durata de viață adecvată a instrumentului pentru a permite procese DMSposibile ? Sunt niște contaminanți probabil mai răi decât alții? 
         (b) Aveți nevoie de simulări și studii care să examineze piesele de prelucrat și suprafețele diamantoidale cu situri radicale expuse care sunt plasate în medii experimentale realiste de vid. Este necesară evaluarea riscului de otrăvire a site-urilor radicale din cauza contaminanților stăpâni și estimări ale duratei de viață preconizate a acestor situsuri radicale expuse în astfel de medii de vid. Ce nivel de vid este minimul necesar pentru o durată de viață adecvată a piesei de prelucrat sau diamantoid pentru a permite procese DMS posibile ? Sunt niște contaminanți probabil mai răi decât alții?  
        (c) Aveți nevoie de un studiu al sistemelor de vid existente și de disponibilitatea videlor ultra-înalte. De asemenea, este necesară evaluarea probabilității creșterii riscului de contaminare a spațiilor de lucru din alte surse decât vârfurile de lucru și piesele de prelucrat, îndepărtând îndeosebi (desorbția) moleculelor de contaminanți de pe suprafețe, mânere de instrument, sigilii sau alte mecanisme care ar putea fi prezente în interiorul spațiului de lucru.

(5) Proiectarea și simularea întreaga secvență de reacții DMS  
        (a) Aveți nevoie de proiectarea și simularea secvențelor de reacție DMS care minimizează reconstrucția pieselor de prelucrat, a instrumentului și a structurilor intermediare și care să mențină o pasivare adecvată a structurilor de piesă de lucru intermediare.  
        (b) Necesitatea de a proiecta și simula procedurile de reîncărcare a instrumentului pentru instrumentele de descărcare.  
        (c) Este nevoie de o definire concisă a unui “set de instrumente minime” și de o reacție minimală setată pentru DMS de bază , inclusiv secvențe specifice de reacție de construcție a diamantului, necesare și suficiente pentru a construi structuri simple de diamante (de exemplu Merkle (1997) , Freitas ) ).  
        (d) Extinderea și elaborarea “seturilor minime de unelte” suficiente pentru a realiza DMS extins , incluzând fabricarea controlată pozitiv a structurilor diamantoidale concave, curbate și cu carcasă tensionată.

(6) Proiectarea și simularea procedurilor DMS dincolo de hidrocarburi   
       (a) DMS trebuie extins la atomi, alții decât C și H – asigurând în mod ideal o combinație de densitate a legăturii apropiate la zero, bariere de difuzie ridicată și legături covalente direcționale.

(7) Rearanjarea și reconstrucția suprafețelor pieselor de prelucrat
  
        (a) Structurile mici de diamantoide, concepute în mod obișnuit pentru părțile nanomecanice (și structurile lor intermediare în timpul și după fiecare reacție DMS în procesul de fabricare), sunt structurale stabile sau rearanjate? Cercetările recente privind rearanjările “nanodiamond” vor fi instructive și ar trebui revizuite în mod extensiv, împreună cu literatura care descrie efectele pasivării / depasivării H și temperaturii asupra naturii și frecvenței reconstrucțiilor de suprafață.  
        (b) Dacă aceste mici structuri de diamantoide sunt rearanjate, este rearanjarea regulată și fiabilă, sau aleatorie și multistructurală? Poate rearanjarea să fie inversată, de exemplu prin repasierea suprafeței reconstruite, ca și cu suprafața diamantului C (111)? Poate fi ignorată rearanjarea, ca în cazul unui mâner de instrument care rearanjează într-o manieră cunoscută dar relativ inofensivă după ce este fabricată (adică într-un mod care nu afectează fiabilitatea chimiei controlate pozitiv care are loc la vârful )? 
         (c) Aveți nevoie de o revizuire a literaturii și de studii teoretice suplimentare privind tendința suprafeței diamantoidului de a fi supusă grafitizării și condițiile în care poate să apară această patologie structurală.  
        (d) necesită o revizuire a literaturii și studii teoretice suplimentare privind tendința și rata de migrare a speciilor adspeci pe cele trei suprafețe diamante principale, inclusiv migrațiile de-a lungul structurilor de colț și colț, în jurul jgheaburilor și în regiunile convexe și concave, ca funcție de tip adspecies și temperatura sistemului. Aceste studii ar trebui să includă o analiză și o cuantificare a barierelor la difuzarea și migrarea suprafeței.  
        (e) Aveți nevoie de un studiu al măsurii în care photoexcitarea conduce la reacția greșită și rearanjarea acestor structuri (și a intermediarilor lor în timpul fabricației).  
        (f) Aveți nevoie de un studiu asupra măsurii în care prezența și distribuția geometrică a legăturilor tensionate și gradul de solicitare influențează reconstrucția nanopartiilor diamantoide mici și a structurilor lor intermediare.  
        (g) Pentru a determina stabilitatea structurală și chimică a pieselor de mașini diamantoide țintă, este necesară calcularea corectă a chimiei cuantice (de exemplu, ab initio , Teoria funcțională a densității), generând structura stabilă la echilibru (structura cu cea mai mică energie liberă). Simulările mecanicii moleculare nu pot determina cu exactitate acest lucru.  
        (h) Sunt necesare simulări dinamice moleculare care utilizează chimie cuantică (de exemplu, AIMD) pentru a cerceta stabilitatea cinetică a structurilor metastabile. Structurile metastabile sunt structuri care nu sunt în echilibru, dar care au o probabilitate scăzută suficientă de a se transforma în starea (mai nedorită) mai stabilă, încât acestea pot fi totuși utile în scopuri practice de nanoengineering. Evaluarea utilității structurilor metastabile necesită calcularea barierului energetic care împiedică reconstrucția și asigurarea că energia disponibilă în sistem (fie termică, mecanică sau altul) este insuficientă pentru a împinge sistemul metastabil peste barieră.  
        (i) Nu se reconstruiește decât un subset foarte mic de suprafețe neterminate. Aveți nevoie de o revizuire a tuturor suprafețelor (atât pasivate cât și nepăzute) despre care se știe că nu se reconstituie. Aceasta va oferi o listă țintă timpurie pentru încercările experimentale la DMS. Cel mai cunoscut exemplu al unei suprafețe nereconstructive este suprafața diamantului C (110). O revizuire ulterioară ulterioară a fenomenului general de reconstrucție a suprafeței ar ajuta la prioritizarea listei țintă secundare pentru viitoarele experimentări mecanosintetice. Pentru acest studiu mai larg, ar trebui să existe un accent analitic asupra ceramicii rigide covalente și a solidelor înrudite și asupra nanoclusterelor <10 nm care sunt cel mai direct analoage nanoparhilor mecanici propuși, cum ar fi uneltele și lagărele care pot conține până la 10 4 atomi fiecare .  
        (j) Aveți nevoie de un studiu definitiv pentru a determina dacă suprafața C (111) curată (nepasivată) va reconstrui spontan la sau sub temperatura camerei și pentru a determina ce prag de temperatură, dacă este cazul, să nu se reconstituie.  
        (k) Necesitatea de a cuantifica impactul asupra DMS fiabilitatea și repetabilitatea fenomenelor de relaxare de suprafață, spre deosebire de fenomenele de reconstrucție de suprafață, de exemplu, așa cum este descris de Zangwill (1988), Prutton (1994), Woodruff și colab (1994), Venables (2000 ) și Luth (2001). Efectele de relaxare pot fi semnificative în multe materiale diamantoide, în special în cazul safirului (alumină, Al 2 O 3 ), unde relaxările ionice de suprafață pot atinge ~ 50% din spațiul stratului pe fața hexagonală (0001).

(8) Proiectarea și simularea sistemelor de prezentare moleculară pentru DMS          (a) Necesitatea de a proiecta și de a simula prezentarea moleculelor de materie primă legată de suprafețele fixe, pentru preluarea ușoară a sculelor de depunere mecanizată, precum și a mișcărilor de mișcări și proceduri pentru obținerea moleculelor de materii prime pe un instrument de control controlat pozitiv dintr- .  
        (b) In mod alternativ, legarea, transportul prin suprafețele de barieră, și poziționarea moleculelor de materii prime lichide sau gazoase inițial pozițional neconstrânse ( de exemplu, acetilena sau C 2 H 2 ) trebuie explorate în vederea spre proiectarea siturilor de legare bazate în principal pe moleculare proprietăți sterice (de formă) care pot fi proiectate flexibil pentru utilizarea în sistemele de fabricare a moleculelor.

(B) EXPERIMENTAL
(1) Proiectare generală și construcție de sisteme de nanopozitive UHV de înaltă precizie  
        (a) Cea mai urgentă nouă capacitate experimentală este dezvoltarea unui sistem de poziționare SPM cu zgomot redus, cu o precizie de poziționare sub-Angstrom (0,2-0,5 Å), care poate fi repetată, pe traiectorii rotunde de 1 micron, cuplate cu un sub-nanometru sistem de coordonate de precizie care acoperă cel puțin zeci de microni. 
         (b) Aveți nevoie de un sistem de poziționare care să minimizeze histerezisul și reacția, sau cel puțin la un nivel suficient de repetabil, pentru a garanta acuratețea plasării instrumentului la 0,2-0,5 Angstromuri. 
         (c) Extinderea sistemelor de nanopozitive cu vârfuri multiple, prin creșterea gradelor de libertate posibile pentru poziționarea unei singure molecule (de exemplu, cu rotația și înclinarea piesei de prelucrat disponibile în timpul evenimentelor de manipulare) în sistemele timpurii și, eventual, includerea în sistemele ulterioare, controlul buclă al unui sistem AFM cu vârf dublu cu cel puțin 5 grade de libertate pe instrumenttip (6 DOF per vârf ar fi mai bine pentru a ne asigura că putem alinia cu precizie instrumentele de lucru).  
        (d) Trebuie să se furnizeze medii UHV ultravalane care prezintă o contaminare minimă. Un vid UHV tipic de ~ 10-9 torr ar da experimenterului, in medie, ~ 1000 secunde inainte de intoxicarea unui situs radicular expus poate aparea datorita unui impingement de atomi, ioni si molecule de contaminanti stramosi. Abilitatea de a lucra în volume mici ar ajuta. De exemplu, un vid de 1 nanotorr în interiorul unei cutii de 10.000 de cubi microni închise conține, în medie, mult mai puțin decât o moleculă contaminantă – de obicei, produce, de fapt, un vid perfect. 
         (e) Controlul computerizării traiectoriilor, rotațiilor și poziționării trebuie studiat, cu scopul final de a automatiza complet procesul DMS , astfel încât nanostructurile să poată fi fabricate în conformitate cu un anumit model.

(2) Provocări specifice sistemelor de nanopozitive DMS  
       (a) Aveți nevoie de noi metode de înregistrare poziționată și de aliniere a vârfului de instrument în raport cu locul de reacție țintă al piesei de prelucrat. Chiar și o nepotrivire extrem de mică în alinierea indicatorului va duce la formarea de legături nedorite. În cazul unui vârf multifuncțional, fiecare sculă trebuie să poată fi aliniată și poziționată cu precizie pe locul reactiv corespunzător piesei de prelucrat.  
       (b) necesită înregistrarea poziționabilă repetată și alinierea unei sugestii de repoziții noi sau returnate, în raport cu un site de piesă de lucru vizitat anterior de un buton de instrucțiuni, cu o precizie suficientă pentru a permite DMS cu eroare scăzută .  
        (c) Aveți nevoie de rotirea și de înclinarea repetată a unui tooltip, în raport cu un loc reactiv al piesei de prelucrat, cu o precizie suficientă pentru a permite DMS cu eroare scăzută . Modificările mici ale înclinării instrumentului sunt prevăzute să modifice exoergicitatea reacției, barierele de reacție și fiabilitatea reacției.  
        (d) Necesitatea de a elabora metode pentru înregistrarea pozițională a vârfurilor de instrumente multiple. Cum se poate localiza o unealtă, în raport cu cealaltă, să efectueze o etapă de mecanosinteză care necesită acțiunea coordonată a două sau mai multor instrumente? Această problemă este valabilă atât pentru pozițiile sugestive relative, cât și pentru rotirile de tip tooltip.  
        (e) Capacitatea experimentală pentru schimbarea multitipului va fi necesară pentru sistemele demonstrative DMS precoce . Ulterior, sistemele de tip “mill” de tip DMS pot folosi piese și unelte aplicate pe un sistem de transport în mișcare, care le transmite pe traiectorii predeterminate, în timpul cărora sunt descărcate, apoi reîncărcate, într-o succesiune repetitivă.  
        (f) Sunt necesare metode pentru a asigura un control precis asupra chimiei și structurii instrumentului, astfel încât reacțiile specifice să fie posibile cu un grad înalt de fiabilitate.

(3) Fabricarea experimentală a sfaturilor DMS  
        (a) Aveți nevoie de propuneri (și de critici ale propunerilor) care să descrie cum să construiți unelte de mecanisointeză cu structuri de mâner adecvate, folosind tehnici accesibile experimental astăzi. (Sistemele de generație mai târzie pot folosi sfaturi pentru a face sfaturi, un proces mult mai rapid și mai eficient.)  
        (b) Aveți nevoie de metode de caracterizare a vârfurilor, odată ce au fost fabricate, fără a le distruge sau inactiva. Acest lucru va fi deosebit de important în stadiile incipiente ale experimentelor DMS, când experiența noastră cu (și înțelegerea) acestor sisteme este la cel mai scăzut nivel.

(4) Fundament experimental pentru DMS  
        (a) În zona experimentală, căutăm experimentaliști dispuși și capabili să realizeze demonstrații de laborator de (1) DMS simple sau (2) capacități specifice necesare pentru a întreprinde operații mecanosintetice mai sofisticate.  
        (b) Necesitatea unei revizuiri a literaturii experimentale și a oricărei lucrări experimentale suplimentare necesare pentru a caracteriza complet comportamentul suprafețelor diamante C (111), C (110) și C (100) în diferite condiții care pot apărea în timpul DMS .   
       (c) Aveți nevoie de o analiză a utilității testării condiționale a stărilor intermediare ale piesei de prelucrat în timpul fabricării DMS și a metodelor cele mai potrivite pentru a face acest lucru. Este o înregistrare a instrumentului / piesei de prelucrat, combinată cu măsurători de reacție poziționată și de forță în timpul unuipas de reacție DMS , suficient pentru a asigura funcționarea DMS fiabilă sau este o testare condiționată și o caracterizare a locului de reacție între fiecare pas necesar pentru a obține o fiabilitate acceptabilă a DMS ? Se crede că testarea stărilor intermediare poate fi esențială în stadiile incipiente ale DMSexperimentare. Pe măsură ce experiența cu aceste sisteme crește și se acumulează cunoștințe despre intervalul normal de răspunsuri în timpul interacțiunilor dintre piesele de lucru și piesele de lucru, este posibil să se elimine în mare măsură testarea pas cu pas, înlocuind testarea produselor finale și verificarea spot pentru scopuri de control al calității . Eliminarea testelor pas-cu-pas este, probabil, cheia pentru paralelizarea masivă și pentru scalarea sistemelor de fabricare bazate pe DMS , în special a sistemelor de tip miez.

(5) Demonstrație experimentală experimentală și premergătoare demonstrative DMS   
       (a) Necesită demonstrarea experimentală a pur mecanismosintetice (adică numai forțe mecanice, fără câmpuri electrice implicate) H abstraction, preferabil pe o suprafață diamantată.  
        (b) necesită demonstrarea experimentală a donației H pur mecanosintetice, de preferință pe o suprafață diamantată.  
        (c) necesită demonstrarea experimentală a plasării dimerului C 2 pur (sau a altei resturi simple de hidrocarburi), de preferință pe o suprafață diamantată.  
        (d) Necesitatea demonstrarea experimentală a unei secvențe pur mechanosynthetic a două sau mai multe DMS reacții pe sau în apropierea același situs reactiv pe aceeași piesă – de exemplu, două abstracțiuni H adiacente de pe o suprafață de diamant sau o C 2 plasarea dimer pe C ( 110) , urmată de donare H pe C anterior plasată 2 dimer.  
        (e) necesită demonstrarea experimentală a capacității de a efectua o succesiune repetabilă de operații DMS pe o suprafață diamantată, rezultând fabricarea verificabilă a unei noi structuri de diamantoid pe acea suprafață.  
        (f) Necesită demonstrarea experimentală a unei fabricări pure mecanosintetice a unei nanostructuri 3D diamantoidice semnificative.  
        (g) Necesită demonstrarea experimentală a unei fabricări pur mecanosintetice a unei structuri diamantoidice cu structură 3D înțepată.

(6) Paralelizarea DMS  
        (a) Necesită demonstrarea experimentală a capacității de a avea suprafețe diamante cu H-pasivat sau H-depasivat la locații simultane simultane prin rețele de paragate de tip tooltip.  
        (b) necesită studii experimentale de alte tipuri de operații mecanosintetice care să demonstreze cel puțin potențialul de paralelizare masivă a instrumentelor DMS .

(7) Disponibilitatea nanopartelor naturale pentru testare și fabricare  
        (a) Ar fi util să existe o bibliotecă completă de structuri adamantane care apar în mod natural, catalogate în funcție de mărime, structură geometrică, număr de atomi, legătura / conectivitate, disponibilitate după extracție din petrol natural și așa mai departe. Acest lucru ne-ar spune ce “părți” naturale ar putea fi disponibile în cantități mari pentru prelucrarea ulterioară în nanostructuri mai complexe, cum ar fi rulmenții, uneltele și altele asemenea sau pentru testarea performanței sistemelor experimentale de manipulator în stadiu incipient. 
         (b) Ar trebui investigată posibilitatea construirii nanopartilor diamantoidici pornind de la primitive de bloc constructor adamantan. Dacă se dovedește posibil, acest lucru ar putea reduce o parte din necesitatea utilizării DMS pentru precizie în fabricarea cadrelor de bază ale cuștilor din nanopartele diamantoidale. S- ar impune încă DMS de precizie pentru adăugarea sau modificarea caracteristicilor esențiale ale suprafeței nanoparticole și pentru îmbinarea covalentă a primitivelor adamantane în agregate mai mari în timpul procesului de fabricare a nanoparțului diamantoid. 
(II) Provocări tehnice pentru montajul programabil de poziționare
(A) TEORETICĂ
(1) Designul gripperului Nanopart
        (a) Dispozitive de prindere controlate pozitiv trebuie proiectate astfel încât să poată apuca și manipula nanopartele finite, fie că le transportă în altă parte, fie că le manipulează în continuare într-o serie de etape de asamblare, cum ar fi o operație de introducere a pieselor (un clichet împins într-o gaură complementară) sau o altă operație de asamblare similară, în care piese mici sunt combinate mecanic pentru a face nanoparzi compuși mai mari care includ legătura van der Waals. Sculele manevrate destinate a fi utilizate în scopul construirii nanomachinelor compuse din părțile lor componente ar putea fi semnificativ diferite în ceea ce privește designul de la uneltele manipulate destinate a fi utilizate pentru mecanosinteză. De exemplu,      
  (b) Aveți nevoie de metode pentru atașarea dispozitivului de prindere la sistemul de poziționare fină, păstrând în același timp rigiditatea și capacitatea de a acționa dispozitivul de prindere.
         (c) Aveți nevoie de capacitatea de a schimba un mecanism de prindere cu altul la vârful SPM. Aceasta implică o cerință corolară de a proiecta structuri de depozitare pentru stocarea temporară convenabilă și recuperarea mecanismelor de prindere neutilizate.

(2) Design actuator de manipulator Nanopart 
         (a) Aveți nevoie de modele pentru dispozitivele de acționare la scară nanometrică și moleculară. Aceste modele ar trebui să fie generate în contextul necesității viitoarei integrări a sculelor de acționare la scară nanometrică și ar trebui să includă și posibilitatea unor viitoare sisteme multi-actuatoare.

(3) Proiectarea și simularea sistemelor de prezentare a materiilor prime nanopart          (a) Necesitatea de a proiecta și de a simula prezentarea nanoparțurilor legate de suprafețele fixe, pentru preluarea ușoară de către uneltele de asamblare, precum și o gamă de mișcări și proceduri pentru achiziționarea nanoparturilor pe un instrument de asamblare controlat poziționat dintr-o suprafață de prezentare nanopart. 
         (b) în mod alternativ, ar trebui explorată legarea, transportul prin suprafețe de barieră și poziționarea unor nanoparte inițial ne-restricționate pozitiv care plutesc într-un fluid lichid sau gazos purtător, în vederea proiectării siturilor de legare nanopart care pot fi proiectate flexibil pentru utilizarea în molecula sisteme de producție.

(4) Proiectarea și simularea suprafețelor de eliberare a pieselor de prelucrat          (a) Aveți nevoie de o analiză a modului de a construi nanopartele și / sau structurile lor intermediare pe dale sau suprafețe detașabile, apoi le ridicați.
(5) Proiectarea și simularea secvențelor de asamblare nanopart  
        (a) Necesitatea de a proiecta secvențele de etape de asamblare necesare pentru asamblarea unei colecții specifice de piese într-un obiect asamblat specific, pe plan plan. Acestea includ includerea mișcărilor relevante pentru achiziționarea și depozitarea pieselor de produse finite în depozite.
(6) Rearanjamente atomice în nanoparticule juxtapuse 
         (a) necesită analize dinamice chimice și dinamice moleculare ale posibilelor reconstrucții (și stabilitatea chimică) a nanopartelor în mișcare care sunt plasate în contact intim cu alte nanoparte în mișcare în timpul operațiilor de asamblare.

(B) EXPERIMENTAL
(1) Dezvoltarea tehnologiei SPM pentru a permite lucrările de asamblare nanopart
  
        (a) Aveți nevoie de clești reversibili de nanopart ca efectori finali pe vârfurile SPM. Gripatoarele ar trebui să poată fi acționate la distanță și / sau condiționată.  
        (b) sistemele SPM care trebuie utilizate pentru lucrările de asamblare pot necesita o precizie mai mică de poziționare a poziției, dar o capacitate de a aplica forțe mai mari și în direcții mai complexe (de exemplu mișcări de răsucire care aplică cupluri circulare sau elicoidale, mișcări de filetare / . Efectuarea unui produs cu precizie atomică din nanopartele nanometrice nu necesită precizie atomică în poziționarea nanoparticulelor, ci doar o precizie pozitivă suficientă pentru a distinge structura de asamblare dorită de structurile adiacente de asamblare patologică.  
        (c) Trebuie să dezvolte o metodă de acționare care poate fi ușor controlată în paralel și poate fi scalabilă.

(2) Fabricarea și testarea suprafețelor de eliberare a pieselor de prelucrat 
         (a) Aveți nevoie de piese concepute pentru o prindere și o manipulare ușoară. 
         (b) Aveți nevoie de scheme eficiente de prezentare a pieselor.  
        (c) Investigarea posibilității adezivității pieselor controlate în timpul asamblării controlate pozitiv.  
        (d) Investigarea posibilității de paletizare nanopart. 
         (e) Investigarea posibilității de fabricare a nanopartelor bazate pe DMS pe o suprafață sacrificială care este dizolvată departe, eliberând nanopartele într-un fluid purtător.

(3) Puncte de referință demonstrative experimentale și valori demonstrative de asamblare a pozițiilor timpurii
  
        (a) Aveți nevoie de demonstrarea experimentală a capacității de a găsi cu precizie și de a recupera nanopartele de intrare de pe o suprafață de prezentare a pieselor sau un depozit de părți. 
         (b) necesită demonstrarea experimentală a asamblării pur mecanice a două sau mai multe nanoparfe într-un obiect de produs mai complex.  
        (c) necesită demonstrarea experimentală a capacității de plasare stabilă a obiectelor finalizate asamblate ale produselor pe o suprafață de depozitare a produsului sau într-un depozit de produse, într-o locație și orientare cunoscute. 
         (d) Necesită demonstrarea experimentală a operației de inserție pur mecanică și / sau a filetului. 
         (e) necesită demonstrarea experimentală a abilității de a achiziționa două obiecte de produs și de a le uni pentru a forma un obiect de produs mai complex.
(III) Provocări tehnice pentru montajul pozițional paralel masiv
(1) Paralelizarea masiva a sfaturilor si sistemelor reactive DMS       
   (a) Necesită analiză și propuneri pentru paralelizarea DMS . Scopul mecanismului de a face operaționalizarea mecanismului trebuie să precede logic (ca obiectiv de cercetare) obiectivul de a face mecanosinteza masiv paralelizată.       
   (b) Analiza nevoilor și propuneri de construire a unor manipulatoare de înaltă precizie cu repetabilitate și stabilitate ridicată, eventual cu multiple DOF la vârf, care pot fi aranjate într-o rețea paralelă masivă pentru a permite prelucrarea masivă paralelă DMS a pieselor de prelucrat. Acestea ar putea servi drept componente majore ale sistemelor de producție cu performanțe ridicate. Astfel de matrice nu sunt SPM de astăzi, dar ar putea fi descendenții tehnologici ai SPM de astăzi.     
     (c) Aveți nevoie de o analiză de proiectare a utilității și a cerințelor de încorporare a diferitelor nivele de redundanță în sisteme de fabricație masiv paralele.    
      (d) Sistemele de nivel inferior utilizate în operațiile de asamblare DMS sau nanoparts trebuie să fie demonstrate ca fiind scalabile pentru sistemele mai mari sau redesenate pentru a permite o astfel de scalabilitate.

(2) Paralelizarea masivă a gripatoarelor de asamblare nanopart și a sistemelor aferente      
   (a) Necesitatea de a proiecta sisteme de control pentru rețelele de asamblare a pieselor de lucru pentru miliarde de stații paralele. Aceasta include implementarea sistemelor de acționare cu comandă pozițională.      
    (b) Necesită analiza ratelor de fiabilitate și de eroare în sistemele de asamblare a pieselor mari. Studiile de design tolerant la erori pentru sistemele de fabricație masiv paralele ar fi utile.

(3) Software de simulare pentru sisteme de fabricație masiv paralele       
   (a) Aveți nevoie de software capabil să realizați simulări integrate pe mai multe niveluri ale subsistemelor majore și ale sistemelor de nanofactorii.     
     (b) Aveți nevoie de software de planificare a fluxului de lucru pentru sisteme de asamblare masiv paralele.
(IV) Provocări tehnice pentru proiectarea nanomecanică
(1) Înființarea de biblioteci nanopartice       
  (a) Necesitatea de a stabili biblioteci nanopart catalogate în formate CAD-utilizabile.   
      (b) Nanopartele și nano-ansamblurile ar trebui să folosească filosofii “design pentru asamblare” și “design pentru analiză și validare”.      
    (c) Analiza necesităților structurilor derivate din analizele anterioare (a se vedea mai sus) pentru a determina cât de multe nanoparti distincte și suprafețe de materiale ar putea fi necesare pentru a constitui un set complet de componente structurale și funcționale la un nivel suficient pentru fabricarea moleculară.

(2) Simularea nanopartelor, a nanomachinelor și a operațiilor nanomachinelor          (a) Aveți nevoie de software care să modeleze și să simuleze în mod credibil funcționarea cinematică a pieselor de mașini diamantoide.        
  (b) Necesitatea de a dezvolta un sistem CAD / simulare capabil să realizeze simularea dinamică moleculară a numeroaselor părți interacționate și să prezică cu exactitate fiabilitatea și caracteristicile fizice ale interacțiunilor lor.     
     (c) Aveți nevoie de un design detaliat pentru un nanomotor, cu simulări atomice ale cel puțin componentelor cheie. Trebuie specificate materialele și trebuie testată stabilitatea chimică a structurilor rezultate. Utilizarea oricărui tip de metal poate ridica probleme grave de stabilitate a suprafeței și ar putea să apară defecțiuni datorită aderenței suprafețelor de contact, dar în schimb ar putea fi utilizate grafenele metalice, diamantul dopat sau alte materiale covalente rigide relevante. O precizie excelentă în poziționare poate fi de asemenea necesară datorită dependenței exponențiale a curentului de tunel cu separarea.     
     (d) Aveți nevoie de un design detaliat pentru o pompă selectivă a moleculelor, cu simulări atomice ale cel puțin componentele cheie, în special a locurilor de legare și a mecanismelor de antrenare. O țintă utilă ar putea fi o construcție la nivel molecular a unei supape selective sau a unui sistem de pompe bazate pe materiale rigide care admite o moleculă aleasă excluzând, de exemplu, oxigenul și apa cu o eficiență de aproape 100%.   
       (e) Drexler’s Nanosystems stabilește un cadru pentru estimarea efectelor zgomotului termic, care este aplicat apoi unui proiect de inginerie într-un calcul al incertitudinii pozitive la vârful unui poziționer molecular. Acest lucru arată că incertitudinea pozițională poate fi făcută a fi mai mică decât un diametru atomic – o condiție necesară, dacă nu suficientă, pentru ca astfel de dispozitive să funcționeze. Dar, de asemenea, avem nevoie de o gamă mai largă de simulări dinamice moleculare ale nanomachinelor mai complexe operate la azot lichid și temperaturi în încăpere, în care atât mecanismul cât și montajul acestuia sunt supuse zgomotului termic.  
        (f) Necesitatea unei revizuiri a noului corp de lucrări experimentale și de simulare recente privind nanotribologia (frecare la scară nanometrică), urmată de o evaluare a implicațiilor sale (dacă există) asupra performanței mașinilor nanometrice. De exemplu, super-lubricitatea grafitului incomensurabil și grafenul incomensurabilsuprafețele de alunecare au fost demonstrate experimental. O perspectivă mai aprofundată asupra amplorii problemei și a oricăror constrângeri de proiectare specifice pe care le-ar putea impune poate fi obținută prin simulări cantitative dinamice moleculare ale unor sisteme nanomecanice simple. Chiar și valori scăzute de frecare ar putea compromite funcționarea nanomachinelor prin generarea de niveluri ridicate de încălzire locală care ar putea diminua stabilitatea chimică a acestor dispozitive. Scăderea energiei din modurile de conducere a mașinilor în modurile vibraționale aleatorie, cu frecvență înaltă, care constituie căldură, poate apărea ori de câte ori legăturile chimice sunt întinse dincolo de intervalul în care sunt bine aproximate de un potențial armonic (adică, respectând legea lui Hooke);  
        (g) Necesitatea revizuirii literaturii, a simulărilor definitive și a evaluării impactului difuziei hidrogenului asupra suprafețelor diamantoide și a cristalului vrac.  
        (h) Necesitatea revizuirii literaturii, a simulărilor definitive și a evaluării efectelor daunelor cauzate radiațiilor asupra fiabilității structurilor și operațiilor mecanice diamantoide.

(3) Proiectare nanofactory  
        (a) Aveți nevoie de simulări complete ale operațiilor nanofactory. Rețineți că un kilogram de produs fabricat, dacă este fabricat din diamant pur, ar conține aproximativ 50 x 10 24 atomi de carbon, necesitând operațiuni de ~ 50 x 10 24 DMS presupunând o operație DMS de 1 atom atomic C; și totuși un computer desktop modern efectuează ireproșabil operațiuni de ~ 10 24 tranzistori pe zi. Dacă individual DMS operațiile într-un sistem matur de fabricație pot fi făcute la fel de simple și fiabile ca operațiile tranzistorului primitiv într-un cip modern de computer electronic, atunci nivelul de complexitate inerent al operațiilor nanofactory poate fi considerat considerabil, dar nu de neconceput.  
        (b) Spațiul de proiectare al arhitecturilor nanofactory de bază ar trebui analizat și evaluat, deși spațiul este probabil prea mare pentru o evaluare globală. Un design bun nanofactory ar trebui să fie un sistem capabil de bootstrap, ar trebui să prezinte o ușurință de reprogramare, să permită accesibilitatea geometrică maximă la piesele de prelucrat în timpul fabricației, să prezinte fiabilitate maximă în timpul funcționării, să fie “sigură” și să prezinte imposibilitate, și ar trebui să permită o producție curată și o funcționare fără poluare.  
        (c) Necesitatea de a investiga posibilele cerințe pentru instrumente de control și monitorizare a proceselor echivalente macroscale în nanofactori, incluzând senzori, întrerupătoare de limită și altele asemenea, constituind bucle de feedback senzoriale care permit o acționare condiționată. Dacă secvențele de fabricație DMS și secvențele de asamblare a pieselor pot fi proiectate pentru a minimiza sau elimina reconstrucțiile nedorite sau alte patologii structurale, atunci nevoia de detectare convențională în linie este mult redusă (împreună cu numărul de posibile moduri de defecțiune).   
       (d) Necesitatea de a investiga desenele sau modelele pentru linii de producție multiple redundante, cu cuantificarea performanțelor și a compromisurilor de proiectare, inclusiv numărul de linii de producție paralele, timpul mediu de defalcare al unei linii de producție date, numărul optim de căi alternative de prelucrat prin nanofactory , numărul optim și locația fluxurilor de producție, și așa mai departe, pentru a determina fiabilitatea și eficiența operației de producție globale. 

Conținutul scris al acestei pagini © 2006-18 Robert A. Freitas Jr. și Ralph C. Merkle
Image credite: Nanofactory – © John Burch, Lizard Fire Studios . Dreptul de autor se aplică tuturor imaginilor.