iso latin iso latin nazaj na domaco stran nazaj na prejsnjo stran ta mali mali svet splosni uvod v nanotehnologijo prevod clanka o nanotehnologiji it's a small small small small world avtorja ralpha merkla prevod je nastal z dovoljenjem avtorja in revije technology review v kateri je bila prvotno objavljena krajsa razlicica tega besedila ker je podrocje nanotehnologije pri nas se dokaj nerazvito in ni ustreznih slovenskih izrazov ali pa jih jaz ne poznam so kaksni prevodi morda nerodni v tem primeru bi bil vesel ce bi mi poslali boljsi predlog uvod industrijski izdelki so iz atomov lastnosti izdelkov pa so odvisne od medsebojne razporeditve atomov ce atome v premogu drugace uredimo dobimo diamant ce preuredimo atome v pesku in dodamo se scepec necistoc dobimo racunalniske cipe in ce preuredimo atome v blatu vodi in zraku dobimo travo od davnih casov ko smo naredili prva kamnita orodja in kresilne kamne ljudje premescamo atome z ulivanjem mletjem praskanjem in rezljanjem v strahovito velikih statisticnih grucah to nam gre vedno bolje od rok naredimo lahko vec stvari kot kadarkoli prej in to z vecjo natancnostjo in za manjso ceno toda ce pogledamo na raven molekul se vedno delamo velike nerodne kopice in neurejene grmade atomov toda to se spreminja v nekaterih primerih lahko ze danes premikamo atome in molekule natancno tako kot zelimo teoreticne analize nam pravijo da bi lahko dosegli se veliko vec nekega dne bomo najbrz sposobni razmescati in preurejati atome in molekule ravno tako kot da bi se igrali z lego kockami cez nekaj desetletij bi morali imeti na voljo proizvodno tehnologijo ki bi nam omogocala sestaviti izdelke pri katerih bi bil skoraj vsak atom na zazelenem mestu to narediti na ekonomicen nacin urediti atome na skoraj vse nacine ki so v skladu s fizikalnimi zakoni tako tehnologijo pogosto imenujemo nanotehnologija molekularna nanotehnologija ali molekularna proizvodnja omogocala pa nam bo narediti vecino stvari lazje trdneje pametneje ceneje natancneje in na bolj cist nacin se opozorilo za razliko od pomena v tem besedilu nekateri raziskovalci oznacujejo z besedo nanotehnologija litografske postopke z visoko locljivostjo drugi pa tudi raziskave vseh vrst pri katerih je kriticna velikost pod mikrometrom nanometrov zato bom uporabljal izraz molekularna nanotehnologija ali pa molekularna proizvodnja na mestih kjer bi lahko prislo da zmesnjave na podrocju nanotehnologije sta kljucni vprasanji kaksni bi bili videti sistemi za molekularno proizvodnjo kako bi lahko izdelali taksne sisteme z naso danasnjo tehnologijo glede na to da sistemi za molekularno proizvodnjo se ne obstajajo in da bo minilo se nekaj desetletij preden jih bomo lahko sestavili se bo treba pri iskanju odgovora na prvo vprasanje opreti na teoreticne in racunalniske komputacijske modele taksni modeli so vecstransko uporabni nekateri ljudje bi lahko trdili da je taksen cilj inherentno nedosegljiv z drugimi besedami taksnih sistemov naj ne bi mogli narediti v okviru danasnjih fizikalnih zakonov teoreticni in komputacijski modeli nam dajo na voljo enostaven nacin s katerim lahko raziscemo to vprasanje in zagotovimo da je opisane sisteme mogoce izdelati drugic taksni modeli nam dajo obcutek kako naj bi sistemi za molekularno proizvodnjo lahko izgledali koncno bolje kot poznamo cilj vecja je verjetnost da ga dejansko dosezemo za ilustracijo si lahko ogledamo primer iz zgodovine racunalnik najbolj pomemben izum dvajsetega stoletja osnovna ideja releja je bila znana v dvajsetih letih prejsnjega stoletja in babbage je iznasel koncept mehanskega racunalnika s programom sredi prejsnjega stoletja delujoce racunalnike bi brzkone lahko sestavili z releji ze okoli ce bi takrat ze bilo tudi zadostno teoreticno razumevanje racunanja ustrezno teoreticno razumevanje molekularne proizvodnje naj bi na podoben nacin olajsalo tezave med razvojem samim s tem da bi nam omogocilo premisliti o pristopih in konstrukcijah katerih razvoj bi se sicer zavlekel za vec desetletij ali pa kot se je pripetilo v primeru racunalnika skoraj za celo stoletje v tem clanku si bomo najprej ogledali kaksni bi lahko bili sistemi za molekularno proizvodnjo potem pa se bomo vprasali kako bi jih lahko izdelali s pomocjo nase trenutne tehnologije pri tem si ne bomo ogledali le novejsih eksperimentalnih dosezkov in njihovih moznih razsiritev temvec bomo pretehtali tudi mozne vmesne cilje in sisteme ce si zelite pogledati kaj je na voljo o nanotehnologiji na internetu in tega je kar veliko je najbolje zaceti na strani o nanotehnologiji pri xeroxu prednosti nanotehnologije kaj bi pomenilo ce bi lahko na poceni nacin izdelali stvari pri katerih bi bil vsak atom na pravem mestu za zacetek bi lahko podaljsali revolucijo racunalniske strojne opreme tja do molekularnih logicnih vrat in zick tega z danasnjimi litografskimi metodami s katerimi izdelujemo racunalniske cipe nikakor ne bi mogli doseci na poceni nacin bi lahko naredili zelo trdne in zelo lahke materiale nedrobljiv diamant shatterproof diamond je ravno prave oblike in je petdesetkrat lazji od jekla primerljive trdnosti naredili bi lahko avtomobil ki bi tehtal petdeset kilogramov ali pa sedezno garnituro ki bi jo lahko dvignili z eno samo roko lahko bi naredili tudi kirurske instrumente s katerimi bi bili tako natancni in spretni da bi lahko opravljali kirurske posege na ravni celic ali celo molekul iz katerih smo narejeni nekaj kar je dalec od dometa danasnje zdravstvene tehnologije in ta seznam bi lahko se nadaljevali skoraj vsak proizvodni izdelek bi lahko izboljsali pogosto za vec velikostnih redov prednosti nadzorovanja lege positional control eden izmed osnovnih temeljev nanotehnologije je nadzorovanje lege zavedanje da lahko v makroskopskem svetu primemo v roke majhne koscke in jih sestavimo tako da jih postavimo v ustrezne medsebojne lege je obstajalo ze v prazgodovini radi se postavljamo kot zivalska vrsta ki uporablja orodja vsa nasa modrost in znanje bi nam komaj kaj koristila ce ne bi imeli palca na pravem mestu se vedno bi se tresli v grmovju ker ne bi mogli zanetiti ognja toda ideja da bi tudi v mikroskopskem svetu drzali in natancno premikali molekule je nova in skorajda sokantna toda ze leta je nobelov nagrajenec iz fizike richard feynman dejal da nam zakoni fizike tega ne preprecujejo to bi se v principu dalo narediti toda dejansko tega se nismo dosegli ker smo preveliki preden pa si ogledamo prednosti nadzorovanja lege v svetu molekul bi bilo poucno ce bi opisali nekatere metode ki so jih razvili kemiki metode ki omogocajo sintezo presunljivo raznolikih molekul in molekulskih struktur brez nadzorovanja lege samosestavljanje selfassembly sposobnost kemikov da sintetizirajo zeleno spojino z mesanjem prokurzorjev je presenetljiva predstavljajte si da bi lahko sestavili tranzistorski sprejemnik tako da bi v vrecko stresli vse sestavne dele jo stresli in ven potegnili sestavljen in delujoc sprejemnik samosestavljanje umetnost in znanost izbiranja pogojev v katerih se sestavni deli spontano povezejo v zeleno strukturo je ze dobro dognan in ucinkovit nacin gradnje kompleksnih molekularnih struktur osnovno nacelo samosestavljanja je selektivna afiniteta ce imata dva dela razlicnih molekul komplementarne oblike in naboje en del ima vdrtino tam kjer ima drugi izboklino oziroma negativni naboj tam kjer ima drugi pozitivnega potem se bosta z veliko verjetnostjo staknila skupaj na en sam natancno dolocen nacin s tem da pretresamo sestavne dele pri cemer nam pomaga naravno termicno gibanje ce sestavni deli plavajo v raztopini bodo ti deli scasoma na nakljucen nacin prisli v stik na ustrezen nacin in se bodo zdruzili v vecjo celoto ta vecji del se lahko na podoben nacin zdruzi se z ostalimi gradniki kar nam omogoca da postopoma zgradimo kompleksno celoto iz molekularnih gradnikov tako da jih enostavno zmesamo in potem dobro premesamo mnogi virusi uporabljajo ta pristop za izdelavo novih virusov ce v epruveti zmesamo sestavne dele virusov t se bodo sami sestavili v pravilno delujoce viruse pozicijske naprave in pozicijsko nadzorovane reakcije ceprav je samosestavljanje mozna pot k nanotehnologiji bi nam to samo po sebi le stezka omogocalo narediti sirok spekter izdelkov ki nam jih obljublja nanotehnologija ne znamo na primer narediti nedrobljivega diamanta s pomocjo samosestavljanja pozneje bomo opisali mozen nacin izdelave diamanta s pomocjo nadzorovanja lege med samosestavljanjem se deli zadevajo med seboj na razlicne nacine in ce se staknejo tam kjer ne zelimo bomo dobili nakljucno povezane skupke gradnikov ta tezava nastopa pri velikem stevilu gradnikov tako da si v teh primerih ne moremo pomagati s samosestavljanjem vse kaze da bomo pri izdelavi diamanta potrebovali gradnike ki so na splosno zelo lepljivi prosti radikali karbeni in podobno pri taksnih delcih si ne moremo privosciti da bi se nakljucno zadevali med seboj in v druge molekule ker bi bil rezultat zmesnjava molekul namesto natancnega molekularnega stroja tej tezavi se lahko izognemo ce bi znali drzali in nadzorovali lego sestavnih delov ceprav so molekule ki jih potrebujemo pri izdelavi diamanta taksne da se lahko povezejo z razno raznimi drugimi in to na zelo trden nacin ce se izrazimo bolj tehnicno potencialne bariere za tvorjenje vezi so nizke nastale kovalentne vezi pa so dokaj mocne bi jih lahko vseeno uporabili ce bi z nadzorovanjem njihove lege preprecili da se zadevajo med seboj na nezazelen nacin ko bosta dva lepljiva dela prisla v stik se bo to dogodilo na natancno dolocen nacin saj jih bomo staknili na pravih mestih z drugimi besedami nadzorovanje lege nam bo omogocilo narediti stvari ki bi jih bilo sicer tezko ali celo nemogoce sestaviti ce si pomagamo z intuicijo iz nasega makroskopskega sveta se nam to ne bi smelo zdeti presenetljivo ce z dlanmi ne bi mogli drzati in premikati stvari bi imeli hitro velike tezave ce bi radi premikali molekularne gradnike bi morali razviti ustrezne nadomestke za roke in dlani nauciti se bomo morali kaj pomeni pograbiti take gradnike in kaj pomeni stakniti jih skupaj razumeti bomo morali natancno dolocene kemicne reakcije ki bi jih taka naprava izkoriscala najprej bomo poskusali najti odgovor na sledece vprasanje kako naj bi izgledala naprava za nadzorovanje lege predlogi so podobni mocno pomanjsanim makroskopskim robotom ilustracije iz nanosystems ki je najboljsi tehnicni uvod v podrocje nanotehnologije kazejo zasnovo za molekularno robotsko roko ki jo je predlagal eric drexler pionir na tem podrocju visoka je nm v sirino pa ima nm sestavljena je iz nekaj milijonov atomov in priblizno sto premikajocih se sestavnih delov ne uporablja nobenih mazilnih sredstev lezaje uporabljamo na suho po feynmanevem predlogu uporaba lezajev na suho je mozna zato ker je povrsina diamanta zelo spolzka v tabeli si oglejte koeficient trenja za diamant in ker lahko naredimo povrsino zelo gladko tako gladko da ne bi obstajala raskavost na ravni molekul in druge nepravilnosti ki bi se sicer lahko zatikale med seboj racunalniski modeli so tukaj v oporo nasi intuiciji analize lezajev s pomocjo programov za komputacijsko kemijo nam kazejo da bi se ti vrteli brez tezav proznost stiffness molekularne roke bi se morale boriti z necem kar nas obicajno ne skrbi v makroskopskem svetu termicnim gibanjem zaradi termicnega gibanja se predmeti na molekularni ravni majejo in pozibavajo podobno kot brownovo gibanje povzroca da majhni prasni delci poskakujejo okoli na nakljucen nacin lahko torej nase molekularne robotske roke ohranjajo svojo lego kljub termicnemu gibanju kriticna lastnost ki jo tukaj potrebujemo je majhna proznost proznost meri premike pri mehanskih obremenitvah ce je deformacija velika pri majhnem pritisku potem je stvar zelo prozna ce pa se ne odmakne ali ukrivi tudi ko mocno pritisnemo potem je tako telo neprozno velike naprave za pozicioniranje kot je sodobni tipalni mikroskop scanning probe microscope so dovolj neprozne da lahko razlocimo posamezne atome kljub termicnemu gibanju v tipalnem mikroskopu se zelo tanka konica premika po povrsini vzorca ki ga opazujemo kot slepec ki tipa pred seboj s palico lahko zaznamo ce se konica priblizuje povrsini in tako naredimo zemljevid povrsine ki jo imamo pred seboj povrsino zaznavamo s pomocjo vec razlicnih interakcij med konico in povrsino nekateri tipalni mikroskopi dobesedno pritiskajo na povrsino in belezijo kako mocen je odziv povrsine pri drugih pa vzorec in sondo prikljucimo na elektricno napetost in potem merimo elektricni tok ko se sonda pribliza povrsini mozno je meriti se vec drugih interakcij med sondo in povrsino in tako lahko naredimo se drugacne vrste tipalnih mikroskopov pri vseh pa je osnovna ideja enaka ko se ostra konica pribliza povrsini nastane elektricni signal s katerim izdelamo zemljevid povrsine vzorca tipalni mikroskop pa poleg slikanja omogoca tudi spreminjanje povrsine to smo ze eksperimentalno uporabili za pisanje besed s posameznimi atomi teoreticno in eksperimentalno pa raziskujemo tudi druge moznosti obdelave povrsine na nadzorovan nacin toda s pescico velikih tipalnih mikroskopov ki so zmozni narediti nekaj molekularnih struktur ne bomo prisli prav dalec vsekakor ne bomo mogli pridobiti na tone natancno oblikovanega diamanta potrebovali bomo veliko stevilo zelo majhnih naprav za nadzor lege positional devices ki bi delovale socasno na zalost pa bodo nase naprave za nadzor lege tem bolj podvrzene tezavam s termicnim gibanjem cim manjse jih bomo naredili narediti nekaj kar je hkrati neprozno in majhno je veliko vecji izziv pametno bi bilo ce bi si pomagali z najmanj proznim materialom kar jih poznamo diamant je trsi kot vecina drugih materialov in je idealen material za izdelavo zelo majhnih in zelo trdnih naprav teoreticne analize kazejo da bi pri napravah za nadzor lege velikostnega reda nm lahko dosegli natancnost njihovih konic na majhen delcek atomskega premera navkljub termicnemu gibanju pri sobni temperaturi biljarde taksnih naprav bi zasedle samo nekaj kubicnih milimetrov stewartove ploscadi stewart platforms ceprav je drexlerjev predlog majhne robotske robe zelo razumljiv in zadovoljiv za uporabo v nanotehnologiji pa so se raziskave v zadnjem obdobju preusmerile k stewartovim ploscadim ta naprava za nadzor lege ima veliko prednost pred robotsko roko ker je pri isti velikosti veliko manj podvrzena mehanskim deformacijam konceptualno so stewartove ploscadi osnovane na opazki da je polieder katerega vse ploskve so trikotniki trden ce bi lahko nadzirali dolzino nekaterih robov poliedra bi lahko uravnavali polozaj ene ploskve glede na druge ploskve ce bi potrebovali vseh sest prostostnih stopenj x y z in tri rotacijske potem bi morali imeti nadzor nad dolzinami sestih robov poliedra ce bi poleg tega zeleli da ena od trikotnih ploskev poliedra ohranja svojo velikost in da drzi orodje ter da neka druga ploskev poliedra deluje kot podstavek base katerega velikost in polozaj sta fiksna potem je najenostavnejsi polieder z vsemi temi lastnostmi oktaeder pri stewartovi ploscadi je ena od trikotnih ploskev imenovana ploscad njej nasprotna trikotna ploskev pa je podstavek dolzine vseh sestih robov s katerimi je ploscad pritrjena na podstavek lahko spreminjamo in tako spreminjamo lego platforme glede na podstavek v mehanskih strojih to pogosto naredimo s sestimi hidravlicnimi bati slika stewartove ploscadi iz knjige nanosystems je prikazana zgoraj sedaj lahko vidimo prednost stewartovih ploscadi ker so robovi z nastavljivo dolzino stisnjeni ali pa raztegnjeni in niso nikoli podvrzeni upogibnim silam je ta naprava za nadzor lege manj prozna kot dolga robotska roka ki se lahko upogiba in zvija stewartova ploscad je tudi konceptualno enostavnejsa od robotske roke ker ima manj sestavnih delov iz tega razloga lahko utemeljeno sklepamo da bo izdelava take ploscadi lazja od izdelave robotske roke prednosti diamanta zakaj je to sanjski material letala vesoljske ladje avtomobili in stoli vse te izdelke bi lahko izboljsali s tem da bi jih naredili lazje in trse v nekaterih primerih na primer pri vesoljskih poletih pa bi bilo to ze samo po sebi velikanski korak naprej v drugih primerih pa bi pridobili predvsem pri pripravnosti premikanje tezkega pohistva je tezko delo kateremu bi se vecina izmed nas najraje izognila trdnost in teza materialov sta odvisni od stevila in teze atomov ter moci vezi ki jih drzijo skupaj lahki atomi ki tvorijo vec mocnih vezi so osnova trdih in malo proznih lahkih materialov bor ogljik in dusik so lazji in tvorijo vecje stevilo mocnejsih vezi kot drugi atomi vez med dvema atomoma ogljika je se posebej mocna in ti atomi lahko tvorijo vezi s stirimi sosednjimi atomi pri diamantu je to vzrok zelo goste mreze zelo mocnih vezi in zaradi tega je diamant zelo trden in lahek material poleg nizke teze in velike trdnosti ima diamant se celo vrsto zelo koristnih lastnosti ki jih lahko izkoristimo pri razlicnih uporabah oglej si tabelo s snovnimi lastnostmi diamanta caption snovne lastnosti diamanta lastnost vrednost pri diamantu opombe kemicna reaktivnost izredno nizka proznost kg mm cbn sic koeficient toplotne prevodnosti w cm k ag cu strizni modul pa e naravni diamant e teoreticna proznostni modul pa naravni diamant teoreticna energijska spranja ev si gaas specificni upor ocm e naravni diamant gostota g cm temperaturni koeficient dolzinskega raztezka k sio lomni kolicnik pri nm steklo koeficient trenja suh diamant spremenljiv teflon gibljivost vrzeli cm v s si gibljivost elektronov cm v s si prebojna jakost elektricnega polja v cm visja od si tudi grafit ima zelo lepe lastnosti atomi ogljika so urejeni v heksagonalno mrezo v kateri ima vsak atom tri vezi s sosednjimi atomi ceprav ima grafit manj vezi na atom so te vezi mocnejse in imajo zato materiali iz grafita posebne lastnosti diamant je tudi odlicen material za izdelavo tranzistorjev in logicnih vrat poskusajmo pojasniti zakaj logicna vrata naj bi bila sposobna cim hitrejsih preklopov to omogoca tako visoke hitrosti racunalnikov da bi to dosegli moramo narediti ta vrata iz tranzistorjev v katerih se elektroni premikajo cim hitreje cez kar se da kratke razdalje toda med potovanjem skozi material nastaja toplota pomislite samo na to kako vroca lahko postane volframova zicka v zarnici hitrejsi ko so racunalniki hitreje se premikajo elektroni skozi material in zaradi tega se integrirana vezja mocneje segrevajo ko prekoracimo neko temperaturo pa racunalniki ne morejo vec delovati pravilno toda diamant ima odlicne elektricne lastnosti na kratko omogoca nam premikati naboje okoli pri veliko vecjih hitrostih preden neha delovati za to je vec razlogov za zacetek tranzistorji iz diamanta lahko delujejo pri veliko visjih temperaturah ker ima diamant visjo energijsko spranjo kot drugi materiali na primer silicij elektroni v polprevodnikih kot sta diamant in silicij so ali v prevodnem pasu ali pa v valencnem elektron v prevodnem pasu lahko svobodno potuje in prenasa naboj prehod elektrona iz valencnega v prevodni pas terja doloceno energijo pri siliciju je ta energija elektron volta pri diamantu pa je elektron volta ko narasca temperatura lahko vedno vec elektronov preide iz valencnega v prevodni pas zaradi termicnega gibanja ko je takih elektronov prevec postane polprevodnik povsod prevoden nastane kratek stik in tranzistor ne dela vec ker ima diamant vecjo energijsko spranjo pride do kratkega stika pri sorazmerno visji temperaturi kot pri siliciju diamant ima tudi visji koeficient toplotne prevodnosti kar nam pomaga pri odvajanju nezazelene toplote iz diamantnih tranzistorjev in tako lahko preprecimo pregrevanje da bi dosegli hitrejse premikanje elektronov jih moramo mocneje vleci to pa dosezemo z mocnejsim elektricnim poljem toda premocno elektricno polje lahko iztrga elektrone iz valencnega pasu in nastane kratek stik ta prebojna jakost elektricnega polja je odvisna od materiala in kot ste morda uganili ta je pri diamantu med najvecjimi za konec lahko dodamo se da se elektroni in vrzeli premikajo z razlicnimi hitrostmi skozi razlicne materiale tudi ce je elektricno polje enako tudi tukaj je ta hitrost vecja pri diamantu kot pri siliciju ker so lahko diamantni tranzistorji bolj vroci ker jih lazje hladimo ker dopuscajo vecje jakosti elektricnega polja pred prebojem in ker se lahko elektroni v njih premikajo hitreje lahko iz diamanta naredimo boljse tranzistorje kot iz drugih materialov diamant bi bil idealen material za elektronske naprave ce bi ga le lahko izdelovali poceni in z natancno doloceno strukturo na kratko pri avtomobilih letalih vesoljskih ladjah kot tudi pri pohistvu in stavbah zepnih racunalnikih in super racunalnikih bi bili materiali podobni diamantu enostavno boljsi kot drugi materiali pogosto celo veliko boljsi ravno tako kot so bile zelezna bronasta in jeklena doba poimenovane po materialih ki smo jih znali izdelovati bi lahko dobo v katero pocasi vstopamo imenovali diamantna doba nadzorovanje lege in izdelava diamanta teoreticno bi lahko naredili veliko uporabnih struktur iz diamanta kot so na primer zelo zmogljivi racunalniki in molekularne robotske naprave ki bi bile sposobne premikati molekulske gradnike z natancnostjo dela atomskega premera toda kako bi lahko izdelali diamant enega od moznih odgovorov lahko najdemo ce si ogledamo kako ga izdelujemo danes s chemical vapor deposition cvd pri tem postopku ki je nekoliko podoben pleskanju z razprsilcem barve gradimo diamant plast za plastjo na neki ploskvi tako da jo postavimo v oblak zelo reaktivnih molekul in atomov kot so h ch c h in tako naprej ko te reaktivne molekule zadenejo povrsino jo spremenijo lahko dodajo odstranijo ali pa premestijo atome z natancnim nadziranjem pritiska temperature in sestave plina lahko ustvarimo primerne pogoje za rast diamanta na ploskvi ceprav so to ustrezne reakcije za izdelavo diamanta pa nam nakljucno bombardiranje ploskve z reaktivnimi molekulami ne omogoca natancnega nadzora nad procesom rasti kristala mi bi pa zeleli da pride do kemicnih reakcij na natancno dolocenih krajih ne pa tam kjer to narekujejo nakljucni pljuski turbulentnega plina dodatna tezava je kemicna inertnost hidrogenirane povrsine diamanta zelo tezavno je tam dodajati ogljik oziroma kar koli drugega to tezavo bi lahko premagali ce bi odstranili atom vodika s povrsine in bi ostala zelo reaktivna prosta vez to je odlocilni prvi korak pri postopku cvd toda pripeti se nakljucno kjer koli na povrsini rastocega diamanta ko ustrezna reaktivna molekula plina slucajno zadane povrsino na ravno pravi nacin mi bi sicer radi dosegli nekaj podobnega toda na nadzorovan nacin zeleli bi odstraniti natancno dolocen atom vodika z natancno dolocenega mesta na povrsini diamanta v ta namen bomo potrebovali orodje za odstranjevanje vodika hydrogen abstraction tool kaksno bi lahko bilo to orodje ce se opremo na nase poznavanje postopka cvd pri diamantu bi to moral biti visoko reaktiven radikal z zelo veliko afiniteto do vodika poleg tega mora biti taksen da lahko nadzorujemo njegov polozaj kar pomeni da mora imeti stabilen del ki lahko sluzi kot nekaksen rocaj tako orodje bi pritrdili na molekularno robotsko roko o kateri smo govorili zgoraj in bi jo premaknili nad atome vodika ki bi ga radi odstranili taksne radikale lahko enostavno poiscemo v tabeli moci vezi bond strength v handbook of chemistry and physics izberemo si molekulo v kateri je cvrsta vez z vodikom ce bi v taki molekuli odstranili atom vodika bi dobili natancno to kar potrebujemo namrec radikal z zelo visoko afiniteto do vodika tako najprej pridemo do fluora atomski fluor ima sicer res zelo visoko afiniteto do vodika zato pa ni nobenega enostavnega nacina po katerem bi lahko nanj pritrdili rocaj zato iscemo dalje in pridemo do acetilena ki tvori drugo najmocnejso vez z vodikom tukaj pa imamo sreco ne samo da ima acetilnov radikal visoko afiniteto do vodika prav tako ima tudi stabilen del ki ga lahko spremenimo v rocaj poglejte ilustracijo zgoraj drexler je prisel do taksnega zakljucka ze v zgodnjih osemdesetih letih ralph merkle avtor tega besedila op prev je kasneje neodvisno uporabil ta nacin razmisljanja in prisel do istih zakljuckov zacetno testiranje te zamisli je bilo opravljeno s pol empiricnimi racuni pri xerox parc na delovnih postajah s prosto dostopnimi programi pogovori z billom goddardom in clani njegove skupine za molekularno modeliranje pri kalifornijskem institutu za tehnologijo caltech so vodile k bolj natancnim izracunom z uporabo visokonivojskih ab initio metodami kvantne kemije na bolj zmogljivih racunalnikih te metode imajo zanimivo lastnost da konvergirajo k pravilnemu rezultatu ce uporabimo dovolj racunske moci drexler je objavil te rezultate v nanosystems leta skupina pri nrl ki se ukvarja z gojenjem kristalov diamanta je ocenila ta predlog kot zanimiv in je modelirala odstranjevanja vodika pri sobni temperaturi s kvalitativno drugacnim racunskim modelom obnasanja molekul modeliranje vedenja vec stotih atomov v blizini odstranjevanja ker so rezultati treh razlicnih racunalniskih modelov vrnili isti kvalitativni odgovor in ker se ti rezultati ujemajo z nasim intuitivnim pricakovanjem o tem kar bi se moralo zgoditi je varno trditi da bo taksno orodje za odstranjevanje vodika ko ga bomo nekega dne koncno naredili delovalo v skladu z nasimi pricakovanji orodje za odstranjevanje vodika prikazuje nekatere zamisli ki so skupne tudi drugim predlaganim orodjem za gradnjo diamanta kot prvo ima orodje reaktiven del ki ga priblizamo delu molekule ki ga obdelujemo in inerten del ki ga drzi molekularna naprava za nadzorovanje lege drugic kraj delovanja orodja nadzorujemo z molekularno napravo za nadzorovanje lege in tretjic okolica orodja je tudi sama inertna mozni predlogi obicajno omenjajo vakuum ali pa kaksen zlahtni plin inertno okolje preprecuje reaktivnemu orodju da bi reagiralo s cim nezazelenim poleg orodja za odstranjevanje vodika ki ustvari zelo reaktivno mesto na povrsini potrebujemo se orodje ki bo tja pritrdilo enega ali vec atomov ogljika eden od predlogov je orodje za odlaganje dimerjev dimer je enostavno skupek dveh gradnikov tukaj sta to dva atoma ogljika povezana s trojno vezjo orodje za odlaganje dimerjev je preprosto dimer z dvema sibkima vezema na podporno strukturo drexlerjev predlog je prikazan na drugacno orodje za odlaganje dimerjev pa je na ima pa se posebno sibke vezi do dimera sedaj bomo opisali kako lahko zdruzimo uporabo orodja za odstranjevanje vodika z orodjem za odlaganje dimerjev to naredimo v treh korakih zacnemo s hidrogenirano povrsino diamanta zapis predstavlja doloceno ploskev kristala diamanta diamant se lahko razkolje le vzdolz dolocenih ravnin ker imajo te ravnine povrsine z razlicnimi lastnostmi je pomembno povedati o kateri govorimo potem uporabimo orodje za odstranjevanje vodika s katerim odstranimo dva sosednja atoma vodika koncno uporabimo orodje za odlaganje dimerjev s katerim polozimo dva atoma ogljika na povrsino oba skrajna konca ogljikovega dimerja tvorita na zacetku enojno vez z orodjem dve prosti vezi na povrsini sta zelo reaktivni in reagirata s koncema ogljikovega dimerja tedaj se zlomijo vezi med dimerjem in orodjem za odlaganje dimerjev vezi v orodju se preoblikujejo kar preprecuje da bi koncali z dvema prostima radikaloma na orodju samem na koncu je ogljikov dimer premescen z orodja na povrsino naslednja ilustracija prikazuje odlaganje dimerja na majhen skupek atomov ki predstavlja povrsino diamanta ker so tocni ab initio racuni racunsko cenejsi za majhen skupek atomov naslednje ilustracije prikazujejo le atome ki so neposredno vpleteni v reakcijo tukaj pricnemo z ravno povrsino diamanta in dodamo nanjo dva ogljikova atoma to lahko ponovimo tudi na drugih mestih o komputacijskem raziskovanju zadnjega koraka je pred kratkim porocal stephen walch na delavnici o komputacijski nanotehnologiji ki jo je sponzorirala nasa v okviru programa nas ker je energija ki se pri tem sprosti velika v primerjavi s termicnim gibanjem z drugimi besedami reakcija je zelo eksotermna je zelo malo verjetno da bi prislo do inverzne reakcije pa tudi meja da pride do reakcije ni visoka ti lastnosti skupaj pomenita da reakcije ni tezko povzrociti in da je ireverzibilna dimer bo preskocil na povrsino diamanta in bo ostal tam tretje predlagano orodje je orodje za vstavljanje karbenov carbene insertion tool karbeni so dvovalentne ogljikove spojine ki formalno nastanejo s prelomom dveh kovalentnih vezi ne bi bilo pretirano trditi da bodo karbeni igrali glavno vlogo v danasnjih prizadevanjih kemikov da bi naredili verjetno vse kar so si zazeleli w j baron karben katerega polozaj bi lahko nadzirali bi bil veliko bolj uporaben saj bi z njim lahko povzrocili reakcijo kjer koli na molekularni strukturi ki bi jo sestavljali karbeni so zelo reaktivni in zlahka jih lahko vstavimo v dvojne in trojne vezi lahko bi povzrocili reakcijo pri kateri bi vstavili karben v zgoraj opisani dimer to je prikazano v naslednji skici nekateri vmesni koraki v poteku reakcije so izpusceni da bi bila ilustracija bolj jasna cetrti predlog je orodje za odlaganje vodika hydrogen deposition tool medtem ko je orodje za odstranjevanje vodika namenjeno spreminjanju inertne strukture v reaktivno z ustvarjanjem prostih vezi pa ima orodje za odlaganje vodika ravno nasprotno uporabo z njim bi naredili reaktivno povrsino inertno to bi naredili z zakljucevanjem prostih vezi z vodikovimi atomi taksno orodje bi lahko uporabljali med procesom izdelave za utrjevanje struktur ki bi se sicer lahko spontano in nezazeleno deformirale ali pa na koncu za utrditev koncnega izdelka imamo veliko kandidatov za taksno orodje to so vse molekularne strukture ki imajo sibko vez z vodikovim atomom se posebej zanimiv je svinec vez svinec vodik je zelo sibka in orodje za odlaganje vodika osnovano na svincu bi bilo zelo ucinkovito ta stiri orodja bi nam torej omogocila narediti inertno povrsino reaktivno z odstranitvijo vodika z enega ali vec izbranih mest dodati enega ali dva atoma ogljika na teh mestih narediti reaktivno povrsino inertno tako da dodamo nanjo vodikove atome to bi preprecilo nepricakovane spremembe na povrsini togi ogljikovodiki kot studijski model opisana molekularna orodja bi zadostovala za izdelavo zelo sirokega razpona razlicnih togih ogljikovodikov zaradi tega bi se lahko omejili na poenostavljen model nanotehnologije ki bi ga imenovali nanotehnologija na podlagi ogljikovodikov pri tej poenostavljeni razlicici bi lahko izdelovali stvari samo iz ogljika in vodika to je veliko manj ambiciozen cilj kot izdelava predmetov iz vseh priblizno stotih elementov iz periodnega sistema toda omejitev na to manjso skupino nam omogoca poenostaviti analize struktur ki bi jih lahko izdelali in reakcij ki bi jih pri tem potrebovali to podrocje bi lahko brez vecjih tezav in bolj temeljito preucili kot pravo nanotehnologijo nanotehnologija na podlagi ogljikovodikov pa ohranja nekatere kljucne lastnosti splosne nanotehnologije diamant in njegova nedrobljiva oblika se vedno spadata v ta okvir ta podvrsta nanotehnologije zadostuje za izdelavo osnovnih mehanskih naprav kot so oporniki lezaji prestavni mehanizmi robotske roke in podobno pogosto je koristno razsiriti skupino ogljikovodikov radi bi naredili molekularne strukture ki so podobne diamantu a vkljucujejo se nekatere druge elemente morda bi potrebovali dodatek necistoc na primer za elektronske naprave iz diamanta ali pa bi prekrili povrsino lezaja s fluorom morda bi zeleli zvijati diamantno strukturo in bi radi v notranjosti dodali nekaj silicija da bi jo razbremenili napetosti vez silicij ogljik je daljsa kot vez ogljik ogljik torej lahko z dodatkom silicija neko podrocje napihnemo podobno bi lahko lezaje razbremenili z dodatkom dusikovih atomov v notranji ploskvi vez ogljik dusik je malenkost krajsa od vezi ogljik ogljik vse te moznosti zdruzimo pod okriljem izraza diamantoidi diamantoidni materiali so prvenstveno narejeni iz naslednjih elementov vodika elementov iz prve vrstice periodnega sistema kot so ogljik dusik kisik in fluor in elementov iz druge vrstice periodnega sistema kot so silicij fosfor zveplo in klor skupaj pa bi jih drzale stevilne mocne kovalentne vezi samo z desetimi elementi lahko naredimo diamantoidne strukture s prav presunljivo uporabnimi lastnostmi samorazmnozevanje kako izdelovati stvari poceni nadzorovanje lege skupaj z ustreznimi molekularnimi orodji bi nam omogocilo narediti zares vznemirljivo stevilo razlicnih molekularnih konstrukcij toda majhno stevilo molekularnih naprav katerih izdelava bi terjala veliko financnih sredstev bi si le stezka zasluzilo naziv revolucija v produkciji kako bi lahko omejili stroske krompir je pravi cudez biologije z deset tisoci genov in proteinov ter zamotanimi molekularnimi mehanizmi toda tega prav nic ne cenimo medtem ko ga jemo krompir kot mnogi drugi kmetijski izdelki stane manj kot sto tolarjev na kilogram hitro lahko razumemo zakaj stane tako malo potrebujejo le nekaj zemlje vode in soncne svetlobe in iz enega krompirja gomolja jih dobimo veliko vec ce bi lahko naredili splosno namensko napravo za proizvodnjo manufacturing device ki bi jo lahko programirali in ki bi se bila zmozna reproducirati avtor teksta vendarle dela pri xeroxu bi bili stroski izdelave naprave same in vsega kar bi te naprave znale narediti drugega zelo nizki verjetno ne visji od stroskov z gojenjem krompirja drexler je imenoval taksne naprave monterji assemblers prvo resno analizo sistemov zmoznih samorazmnozevanja je opravil ze von neumann v stiridesetih letih izpeljal je podrobno raziskavo enega taksnih sistemov v teoreticnem modelu celicnega avtomata najbolj znan primer modela celicnega avtomata je conwayeva igra zivljenja game of life ki jo igramo na velikanski sahovnici in pri kateri upostevamo enostaven skupek pravil ki dolocajo kaj se zgodi v vsakem razdelku sahovnice pri vsakem casovnem koraku von neumann je v svojem modelu celicnega avtomata uporabil univerzalni racunalnik za nadzor in univerzalen graditelj universal constructor za gradnjo novih avtomatov univerzalni graditelj je bila robotska roka ki se je lahko pod racunalniskim nadzorom premikala v dveh dimenzijah in spreminjala stanja celice pod njo s sistematicnim premikanjem naprej in nazaj je roka lahko sezidala kakrsno koli strukturo za katero je bil racunalnik programiran v svojem tridimenzionalnem kinematskem modelu je von neumann obdrzal zamisel o napravi za nadzor lege ki pa se je v tem primeru lahko premikala v treh dimenzijah in racunalniku ki jo nadzira studija ki so jo opravili pri nasi leta je razsirila splosne von neumannove zakljucke ugotovili pa so da bi bilo mozno narediti popolnoma avtomatiziran stroj za rudarstvo in proizvodnjo na luni ki bi se lahko razsiril sam s pomocjo svojih sposobnosti za kopanje rud in sestavljanje novih naprav taksen stroj bi lahko naredili s proracunom velikim vec milijard dolarjev v nekaj desetletjih taksen financni in casovni okvir je bil celo primerljiv z drugimi predlaganimi vesoljskimi projekti tistega casa arhitektura drexlerjevega monterja je specializacija bolj splosne arhitekture ki jo je predlagal von neumann kot v prejsnjem primeru imamo tukaj racunalnik in graditelj toda tukaj se je racunalnik skrcil v molekularni racunalnik graditelj pa zdruzuje dva dela robotsko napravo za nadzor lege kot je na primer robotska roka o kateri je bil govor zgoraj in dobro dolocena mnozica kemicnih reakcij ki jih lahko sprozimo na konici naprave za nadzor lege kot so reakcija odstranjevanja vodika in druge reakcije ki jih potrebujemo pri sintezi diamanta kompleksnost sistema za samorazmnozevanje ni nujno pretirana tukaj lahko kompleksnost merimo kar z velikostjo v bajtih recepta ki popolnoma opise kako lahko naredimo sistem kompleksnost monterja ne rabi biti nujno zunaj mej danasnjih inzenirskih zmoznosti kot je prikazano v naslednji tabeli je vec samorazmnozevalnih sistemov katerih kompleksnost bi lahko ze danes popolnoma obvladali drexler je ocenil kompleksnost svojega prvega predloga monterja na okoli bajtov ta stevilko pa bi bilo moc tudi zmanjsati caption kompleksnost sistemov ki se razmnozujejo von neumannov univerzalni graditelj okoli internetski crv mycoplasma capricolum e coli drexlerjev monter clovesko bitje nasin sistem za rudarstvo na luni preko kaj je kompleksnost zivega bitja za nas bo to kar stevilo bajtov ki zadoscajo da zapisemo genetski nacrt ker imamo za vsak par baz dnk stiri moznosti to ustreza dvema bitoma en bajt lahko torej zapisemo s stirimi pari baz in obratno to pomeni da lahko prestejemo stevilo parov baz v dnk delimo to stevilo s stiri in dobimo dolzino genetskega zapisa izrazeno v bajtih za mycoplasma capricolum prokarioticni mikroorganizem ki ima okoli parov baz je ta dolzina na primer bajtov pri ljudeh ki imajo po priblizno milijarde parov baz pa je dolzina okoli milijonov bajtov tu upostevamo da ima sicer vsaka celica v telesu dnk od obeh starsev toda vecina genov je enakih zato tu stejemo le dnk ki prihaja ob enega od starsev kompleksnost in sofisticiranost vecine zivih bitji je veliko vecja kot kompleksnost ki bi jo morali biti sposobni obvladati da bi dosegli nizke proizvodne stroske kompleksnost cloveskega genoma ni povezana samo s samorazmnozevanjem ljudje delajo se marsikaj drugega poleg tega da se razmnozujejo kompleksnost internetskega crva internet worm je priblizna dolzina njegovega programa napisanega v jeziku c ker deluje v okolju ki je zelo strukturirano in ki nudi relativno lahek dostop do kompleksne in sofisticirane programske opreme bi lahko trdili da je njegova kompleksnost veliko manjsa od kompleksnosti sistema ki deluje v enostavnem okolju vseeno pa bomo ta zanimivi podatek pustili v tabeli taksna trditev velja v veliko manjsi meri za von neumannov univerzalni graditelj ki deluje v enostavnem okolju sestavljenem iz velike dvodimenzionalne sahovnice katerega razdelki so v enem izmed koncno mnogih moznih stanj njegova kompleksnost je priblizno stevilo bajtov s katerimi bi lahko opisali graditelj kompleksnost nasinega sistem za rudarstvo na luni je ocenjeno v studiji ki so jo naredili pri nasi kaj bomo lahko naredili vecina letal je danes narejenih iz kovinskih materialov ceprav je razmerje med trdnostjo in tezo pri diamantu petdesetkrat vecja kot pri aluminiju ki se uporablja v letalski in vesoljski industriji diamant je drag ne moremo ga narediti v zazeleni obliki in rad se drobi nanotehnologija nam bo omogocila poceni narediti nedrobljiv diamant katerega struktura je podobna diamantnim vlaknom poljubne oblike tako bi lahko naredili boeing ki bi brez tovora in potnikov tehtal priblizno petdesetkrat manj vendar bi bil enako trden potovanja v vesolje so danes zelo draga in na voljo le redkim nanotehnologija bi dramaticno znizala stroske in izboljsala zmogljivost vesoljskih ladij in moznosti vesoljskih poletov razmerje med trdnostjo in tezo ter ceno sestavnih delov so tukaj zares kriticnega pomena za ucinkovitost in ekonomicnost vesoljskih plovil z nanotehnologijo bi oba parametra izboljsali za eno ali celo dve velikostni stopnji ce bi izboljsali samo ta parametra in nic drugega torej ce se ne zmenimo za druge prednosti ki bi nam jih prinesla nanotehnologija bi lahko izboljsali splosno razmerje med stroski in ucinkovitostjo za vec kot tri velikostne stopnje iz teh razlogov so pri ameriskem drzavnem drustvu za vesolje national space society nss izrazili podporo razvoju nanotehnologije podobno je storil tudi dan goldin glavni upravitelj agencije nasa v nas pri nasinem razvojnem centru ames ames research center pa so zaceli projekt katerega cilj je raziskati molekularne stroje in sisteme za proizvodnjo s pomocjo racunalniskih modelov poleg tega da bo nanotehnologija omogocila izdelavo izrazito lahkih in trdnih materialov za vesoljske ladje bo prinesla tudi izredno zmogljive racunalnike s katerimi bomo lahko krmilili te ladje in izvajali veliko stevilo drugih dejavnosti v vesolju danes izdelujemo racunalniske cipe z litografijo kar dobesedno pomeni pisanje s kamni to je nasa najbolj natancna proizvodna tehnologija toda kaze da obstajajo meje preko katerih je ne bomo mogli vec izboljsevati pri litografiji risemo tanke crte po tanki plosci silicija silicon wafer s postopkom podobnim tistim pri fotografiji po plosci razmazemo plast obcutljivo na svetlobo imenovano resist potem jo osvetlimo z zapletenim vzorcem svetlobe in senc kot to storimo z negativom v fotografskem aparatu in jo razvijemo osvetljen resist odplaknemo in na povrsino nanesemo posebno kemikalijo kjer je bil resist odstranjen se kemikalija zazre v tanko plast silicija drugod pa ga ne doseze na koncu odstranimo nepotrebne kemikalije in dobimo koncni izdelek natancen vzorec zazelene kemikalije je razprostrt na silicijevi povrsini s ponavljanjem postopka lahko naredimo zapleteno mnozico prepletenih vzorcev ki sestavljajo kompleksne elemente racunalniske logike ce se bo revolucija racunalniske strojne opreme nadaljevala z enako hitrostjo kot danes bomo morali cez kaksno desetletje zamenjati litografijo s kaksno post litografsko proizvodno tehnologijo z izdelavo vzorcev na resistu in brizganjem kemikalij enostavno ne moremo namestiti atomov z najvecjo mozno natancnostjo potrebovali bomo bolj precizne postopke na koncu bodo vsaka logicna vrata sestavljena iz le nekaj atomov zasnove za logicna vrata z manj kot tisoc atomi so ze bile izdelane toda cisto vsak atom v tako majhni napravi mora biti na natancno pravem mestu da bi izdelali in med seboj povezali v kompleksen tridimenzionalen vzorec bilijone tako majhnih in natancnih naprav bomo potrebovali tehnologijo ki je onkraj danasnje litografije potrebovali bomo nanotehnologijo s taksno tehnologijo bi lahko naredili naprave za shranjevanje podatkov na katere bi lahko posneli sto milijard milijard bajtov na prostornino velikosti kocke sladkorja in masovno paralelne racunalnike iste velikosti ki bi lahko izvrsili milijarde milijard ukazov na sekundo danes so pametna orozja razmeroma velika imamo pametno bombo ne pa tudi pametnega naboja v prihodnosti bi lahko imeli orozje ki ne bi bilo vecje od enega samega naboja imelo pa bi vecjo racunalnisko moc kot najvecji super racunalniki danasnje dobe to bi lahko omogocilo analizo slik okolice v realnem casu komuniciranje s sistemi za sledenje orozja in navigacijo do tarce z veliko natancnostjo prav tako bomo sposobni izdelati orozja ceneje in hitreje pri tem pa bomo tudi izkoristili do popolnosti izvrstne materialne lastnosti diamanta hitra in poceni izdelava velikih kolicin mocnejsega in natancnejsega orozja ki bi jih krmilili izboljsani racunalniki bo spremenila nacin vojskovanja tako velike spremembe bi lahko povsem nepredvidljivo porusile ravnovesje med obstojecimi strukturami moci zaradi moznosti zlorabe nanotehnologije v vojaske namene bi morali pretehtati to vprasanje se preden razvijemo novo tehnologije ceprav se dolgo ne bomo imeli molekularne proizvodnje bo njen ociten vojaski potencial vedno bolj pritegoval pozornost strategov v svojem govoru z naslovom nanotehnologija in globalna varnost na cetrti foresightovi konferenci o molekularni nanotehnologiji je upokojeni admiral david e jeremiah bivsi podpredsednik glavnega staba ameriske vojske povedal vojaske uporabe molekularne proizvodnje imajo v primerjavi z atomskim orozjem se vecjo sposobnost spremeniti razmerja moci glede na to da je le malo verjetno da nikoli ne bo prislo do razvoja vojaskih uporab te tehnologije bi bilo varneje cim bolj zgodaj vzpodbuditi zanimanje za to pri organizacijah ki niso nagnjene k zlorabi svoje moci in ki bi bile sposobne prepreciti zlorabo pri drugih danes pridobivamo energijo iz izkopanega premoga in izcrpane nafte s pomocjo zajezenih rek in z izgorevanjem jedrskega goriva v jedrskih elektrarnah toda soncni zarki bi nam lahko dali na voljo za kar nekaj velikostnih stopenj vec energije kot je danes porabimo in to na cist in poceni nacin ce bi le lahko naredili cenene soncne celice in baterije ze danes znamo narediti soncne celice z dovolj visokim izkoristkom da bi jih lahko prakticno uporabljali so pa na zalost predrage z nanotehnologijo bomo zmanjsali stroske izdelave celic samih in opreme ki bo omogocila razsiritev njihove uporabe tako bi postala soncna energija ekonomicen vir energije v tem primeru ni treba razviti novih ali tehnicno boljsih celic zadostovalo bi ce bi lahko poceni naredili to kar je danes predrago to bi omogocilo vsesplosno uporabo soncnih zarkov kot energetskega vira nasa kirurska orodja so velika in groba na ravni mikroskopskega sveta ceprav je celicni in molekularni ustroj nasega tkiva droben in natancen obstaja torej veliko neskladje med zmoznostmi pripomockov in orodij ki bi jih potrebovali za zdravljenje poskodb nasega tkiva z vidika nasih celic so danasnji skalpeli velikanske kose ki kosajo in trgajo namesto da bi popravljali in zdravili z rezanjem po tkivu pustimo za sabo veliko mrtvih in poskodovanih celic kirurgija je uspesna samo zaradi izjemne lastnosti celic da se pregrupirajo pokopljejo mrtve celice in tako omogocijo celjenje rane sodobna medicina ne zdravi to naredijo celice same mi smo pri tem samo opazovalci ce bi imeli kirurska orodja ki bi bila molekularne velikosti in natancnosti bi lahko koncno razvili medicinsko tehnologijo ki bi nam omogocila neposredno zdraviti rane na ravni molekul in celic kjer ticijo osnovni vzroki bolezni in slabega zdravja kombinacija ucinkovitih zdravil in inteligentnega krmiljenja kirurskega skalpela bi lahko prinesla velikanski korak naprej v nasih sposobnostih zdravljenja nanotehnologija bi morala omogociti izdelavo stari ki bi bile hitrejse lazje trse pametnejse bolj varne in bolj ciste kot danasnji industrijski izdelki tukaj nasteti primeri prikazujejo le nekatere od moznih izboljsav tezje je predvideti nove izdelke ki bodo resevali nove probleme na nove nacine njihov vpliv pa bo verjetno velikanski bi edison lahko bil predvidel razvoj racunalnistva newton pa komunikacijske satelite povzetek o kljucni tehnologiji sedaj si lahko predstavljamo obris tehnologije molekularne proizvodnje samorazmnozujoci se monterji bi pod racunalniskim nadzorom omogocili poceni izdelavo novih monterjev prav tako bi jih lahko programirali za izdelavo drugih izdelkov monterji uporabljajo programiramo nadzorovanje lege za premikanje molekularnih orodij in sestavnih delov kar omogoca poceni izdelavo vecino struktur v skladu s fizikalnimi zakoni predvsem diamantoidni materiali bi postali poceni in splosno uporabni njihove odlicne lastnosti pa nas bosta pripeljala v diamantno dobo smeri razvoja v zgornjem opisu nanotehnologije nismo namenili prav dosti pozornosti moznim razvojnim potem ki bi omogocile prehod iz danasnje tehnologije k zrelim sistemom za poceni izdelavo diamantoidnih struktur nasteli smo predloge ki se ticejo cilja sistema ki je zmozen poceni izdelovati diamantoidne strukture tako smo prisli do splosno uporabnega sistema za proizvodnjo ki v vakuumu izkorisca zelo reaktivna orodja katerih lego natancno nadziramo in ki se lahko sam razmnozuje v nasih razglabljanjih nismo upostevali omejitve da mora biti sistem taksen da ga lahko enostavno izdelamo z danasnjo tehnologijo in ta tezava res ni majhna toda nekako moramo narediti te sisteme ce bi jih radi uporabili vendar kako da bo bralec imel priblizen obcutek koliko truda bomo morali vlozili v to lahko primerjamo zahteve za zrel sistem z danasnjimi zmoznostmi zrel sistem mora biti sposoben izdelati monterja sestavljenega iz vec sto milijonov ali celo milijard atomov in pri tem mora biti cisto vsak atom na svojem mestu pri vsakem proizvodnem koraku uporabimo le majhno stevilo atomov ali celo enega samega odstranjevanje vodika vstavljanje karbena razmerje med stevilom napak in stevilom korakov mora biti nizko manj kot ena napaka na milijardo korakov sicer bomo potrebovali postopke za prepoznavanje napak in njihovo odpravljanje splosno pravilo je da je lazje nekaj narediti prav ze prvic kot pa nekaj narediti narobe in potem popravljati napake ce lahko izbiramo med proizvodnim sistemom pri katerem je stevilo napak dovolj majhno da bo vecina koncnih izdelkov delovala pravilno ze takoj in postopkom ki zahteva komplicirano odkrivanje napak in njihovo popravljanje je seveda boljsa prva moznost med preucevanjem bistvenih vzrokov za napake pri proizvodnji diamantoidnih izdelkov in se posebej monterjev je bilo ugotovljeno da bi bilo verjetno mozno doseci dovolj nizko raven napak tedaj bi lahko monter izdelal drugega z zelo visoko verjetnostjo za uspeh brez uporabe prepoznavanja in odpravljanja napak zato dajejo razvojni modeli prednost enostavnejsim in bolj ucinkovitim pristopom ce pa bi prisli do drugega sklepa in sicer da ne bi mogli znizati stopnje napak pod ena proti milijarda potem bi morali spremeniti razvojni model izdelovali bi lahko manjse gradnike katerih velikost bi bila v skladu s stopnjo napak uporabili pa bi se ustrezne mehanizme za testiranje gradnikov ki bi zavrgli nedelujoce in mehanizem za sestavljanje gradnikov v vecje sisteme taksen razmislek nas vodi k nacrtom za monterje pri katerih je stopnja napak error rate zelo nizka tako nizke stopnje napak temeljijo na predpostavki da ze lahko uporabljano diamantoidne nanomonterje na zalost jih se nimamo se slabse z danasnjo tehnologijo bi tezko dosegli tako nizko stopnjo napak za kemike je ze zelo dobra sinteza pri kateri je izkoristek sinteza proteinov iz amino kislin v ribosomih ima stopnjo napake ki je verjetno okoli podvajanje dnk z uporabo ucinkovitih postopkov za zaznavanje in odpravljanje napak in ze obstojeca redundantnost dnk ima dve komplementarni verigi omogocata stopnjo napak ki je okoli ena proti milijarda to pa je odvisno se od dejanskih okoliscin pri katerih poteka podvajanje velikost struktur ki jih lahko brez napake sestavimo z danasnjimi tipalnimi mikroskopi je manjsa kot velikost struktur ki jih znajo narediti kemiki pri prvem taksnem poskusu je bilo premaknjenih atomov ksenona na povrsini niklja v vakuumu pri temperaturi k z atomi so napisali crke ibm na japonskem so kasneje z atomi napisali nano space pri sobni temperaturi v vakuumu tako da so odstranjevali posamezne atome zvepla s povrsine pred kratkim je bilo sest molekul urejenih v sestkotniski vzorec v vakuumu pri sobni temperaturi ker je vsaka molekula imela po atomov je bilo v tem modularnem pristopu premaknjenih vec kot atomov ceprav so to res veliki uspehi pa vseeno nismo videli na ta nacin napisanih celih stavkov kaj sele odstavkov ali celo knjig tipalni mikroskopi lahko vidijo strukturo ki jo gradimo pri opisanih dosezki so to uporabili za povratno informacijo ki jo je izkoristil uporabnik mikroskopa za prepoznavanje in odstranjevanje napak na kratko z danasnjimi tipalnimi mikroskopi lahko izdelamo strukture katerih velikost je le majhen delcek velikosti predlaganih monterjev pa tudi stopnja napak je tako velika da je potrebno uporabljati zelo sofisticirane nacine prepoznavanja in odstranjevanja napak tezave pa prinasa tudi zahteva da so osnovne operacije opravljene hitro ce naj bi monter naredil kopijo samega sebe priblizno v enem dnevu in ce je za to potrebno sto milijonov milijard operacij potem mora biti vsaka taka operacija izvrsena v delcku milisekunde ribosomi potrebujejo vec deset milisekund da dodajo eno samo aminokislino na rastoci protein s sedanjimi tipalnimi mikroskopi lahko potrebujemo tudi vec ur da premaknemo nekaj atomov in molekul poleg tega pa nam vakuum onemogoca uporabo samosestavljanja in drugih tehnik ki temeljijo na raztopinah ocitno je da v zacetku ni dobro zavreci tako mogocna orodja ceprav hitrost zanesljivost in delo v vakuumu niso nepremagljive ovire je zakljucek vseeno ociten prakticno nemogoce je sestaviti diamantoiden monter s pomocjo danasnje tehnologije mogoce bi morali proti nanotehnologiji iti postopoma namesto da bi skusali narediti en sam velikanski korak v ta namen bi bilo treba dolociti enega ali vec vmesnih sistemov ki bi jih bilo lazje narediti s pomocjo nase tehnologije in ki bi nam omogocali izdelavo mocnejsih sistemov od njih samih tako bi dobili niz vmesnih stopenj ki bi znale narediti naslednji sistem v verigi pri enem od moznih pristopov zavrzemo zahtevo da je monter sestavljen iz diamantoidnih struktur te smo zeleli uporabljati zaradi njihovih odlicnih mehanskih in elektricnih lastnosti toda od vmesnih sistemov ne pricakujemo nic drugega kot da sestavijo bolj napreden sistem zato ni nujno da bi bil vmesni sistem tudi sam diamantoid tako pridemo do nanotehnologije na podlagi gradnikov building block based nanotechnology namesto diamanta bomo izdelali kaksen drug material iz relativno velikih molekulskih gradnikov vec deset sto ali celo tisoc atomov vecji gradniki zmanjsajo stevilo korakov ki so potrebni pri gradnji tako da zadostuje ze manjse stevilo osnovnih operacij ki so poleg tega lahko tudi nekoliko manj natancne gradniki ki jih lahko raztopimo in ki imajo selektivne lepljive dele taki gradniki se lahko staknejo samo z drugimi gradniki ne pa s topilom ali necistocami nam omogocajo odpraviti potrebo po vakuumu vsekakor pa imamo kar siroko izbiro vzamemo lahko namrec katero koli molekulo z ustreznimi lastnostmi ki jo kemiki znajo sintetizirati krummenacker je ugotovil da bi moral vsak gradnik imeti vsaj tri dele s katerimi bi se lahko spojil z drugimi polimeri ki jih najdemo v bioloskih sistemih proteini dnk rnk imajo samo dva taksna spojna dela ce bi imeli se tretjega bi bila izdelava trirazseznih struktur veliko lazja ceprav bi lahko gradnike sestavljali s pomocjo kakrsnekoli reakcije je se posebej zanimiva diels adlerjeva reakcija do te kemikom sicer dobro poznane reakcije lahko pride v vecini topil in celo v vakuumu gre za reakcijo med dienom diene in dienofilom dienophile reakcija je selektivna dien in dienofil reagirata med seboj le redko pa tudi z drugimi kemijskimi skupinami glej zgornjo krummenackerjevo ilustracijo ker deluje v vakuumu in ker ne pusti za seboj kaksnih majhnih molekul kar bi unicilo vakuum jo lahko uporabimo tako v vmesnih sistemih v raztopinah kot tudi v poznejsih sistemih ki v vakuumu izdelujejo diamantoidne materiale sistemi v raztopinah bi lahko uporabljali nadzorovanje lege za sestavljanje gradnikov lahko pa uporabimo tudi metodo samosestavljanja pomembno je da bi s samosestavljanjem lahko naredili napravo za nadzorovanje polozaja ce bi vprasali kaksnega strokovnjaka s tega podrocja ali bi bilo s samosestavljanjem mozno narediti robotsko roko bi bil odgovor nikalen ce pa bi namesto tega vprasali ali bi bilo mozno s samosestavljanjem narediti oktaeder bi lahko povedali da je nadrian seeman z univerze v new yorku ze dosegel samosestavljanje molekul dnk v prisekan oktaeder in namerava to ponoviti in narediti pravilen oktaeder s tem se ukvarja iz razlogov ki nimajo prav dosti opravka z nadzorovanjem lege za to je leta dobil feynmanovo nagrado za nanotehnologijo kot smo videli je oktaeder osnovna struktura ki jo potrebujemo pri stewartovih ploscadih prirezan oktaeder ki ima tudi netrikotne ploskve ni tako trden kot pravilen pa tudi pravilen oktaeder bi bil verjetno premehek za naso uporabo zaradi omejene togosti molekul dnk poleg tega ne moremo nadzorovati dolzine stranic kar bi potrebovali za nadzor lege ploscadi glede na podstavek vseeno pa bi bilo najbrz veliko lazje s samosestavljanjem narediti stewartovo ploscad s katero bi lahko sestavljali molekularne gradnike kot pa neposredno narediti diamantoiden monter ki bi znal v vakuumu izdelovati diamant obstaja vec resitev nasih tezav z nezadostno trdnostjo in resitev za nadzorovanje dolzine stranic na togo molekularno strukturo bi lahko obesili niti dnk s selektivno lepljivostjo tako bi lahko z dnk ki je dobro raziskana in katere selektivna lepljivost je dobro poznana nadzorovali proces samosestavljanja toga molekularna struktura pa bi poskrbela za vecjo trdnost za spreminjanje dolzine stranice bi potrebovali molekularne strukture katerih oblika se spreminja v odvisnosti od svetlobe pritiska temperature kemikalij ali kaksnega drugega zunanjega signala poznamo veliko taksnih struktur samosestavljanje stewartove ploscadi s stranicami katerih dolzino lahko z ustreznim mehanizmom signaliziranja spreminjamo ni vec izziv izven nasega dosega drugacen pristop za premikanje molekularnih gradnikov v raztopini je uporaba mikroskopov na atomsko silo afm atomic force microscope ta vrsta tipalnega mikroskopa uporablja pritiskanje za izdelavo sliko s tem da pritiska na vzorec in meri kako mocno se vzorec odziva lahko afm sestavi sliko trdih struktur ne deluje pa dovolj dobro ko je uporabljena sila tako velika da deformira strukturo ker se afm dotika povrsine ki jo zaznava lahko to povrsino tudi spreminja v ta namen je dobro imeti natancen vpogled v molekularno sestavo konice tako da lahko dobro dolocimo interakcijo med konico in povrsino tako pridemo do molekularnega manipulanta molecular manipulator to je afm s konico na katero je pritrjeno protitelo antibody s tem da spremenimo protitelo na konici spremenimo tudi tip molekul ki se pritrdijo na konico ce se lahko protitelo selektivno prilepi na dolocen molekularni gradnik lahko torej premikamo molekularne gradnike s premikanjem konice mikroskopa uporabimo lahko katerega koli izmed stevilnih moznih gradnikov danes znamo narediti protitelesa ki se lahko pritrdijo na vecino majhnih molekul tudi v tem primeru to ni izven dosega nase tehnologije obstaja se ena mozna pot razvoja ki jo narekuje industrija polprevodnikov ta si zeli izdelati se manjse tranzistorje kljub dejstvu da bo opticna litografija metoda za izdelavo racunalniskih cipov ki jo danes najbolj uporabljamo dosegla svoje teoreticne meje v nekaj letih danes izdelujemo tranzistorje tako da risemo zelo tanke crte na siliciju toda pri teh opticnih metodah postavlja mejo valovna dolzina svetlobe nekaj sto nanometrov tipalni mikroskopi nam omogocajo izdelavo se manjsih vezij z risanjem tanjsih crt to je ze bilo preizkuseno pri risanju najbolj tankih in kriticnih crt v tranzistorjih ce bi lahko ustrezno znizali stroske in povecali zanesljivost bi dali tej industrijski veji novo zelo uporabno orodje samo po sebi to ni molekularna nanotehnologija toda ce se naucimo risati tanke crte pri katerih je vsak atom na svojem mestu in obstajajo zelo dobri ekonomski razlogi da bomo skusali iti v to smer bomo isto tehniko lahko uporabili pri izdelavi molekularnih naprav v zacetku bi bilo opisano orodje zelo drago in uporabno samo v namene pri katerih bi njegova neverjetna natancnost upravicila visoke stroske toda scasoma bi tako prisli do dovolj sofisticiranih naprav da bi lahko naredili enostavne monterje premikamo se iz dobe dragih in nenatancnih izdelkov v dobo poceni izdelkov z molekularno natancnostjo naj bo to s pomocjo samosestavljanja z izboljsavami tipalnih mikroskopov s kaksnih mesanim pristopom ali pa po kaksni povsem drugacni poti vecino proizvodnih sredstev na tem svetu bomo zamenjali z bistveno drugacno in mnogo boljso proizvodno tehnologijo kritika trditve da je nanotehnologija neizvedljiva so dokaj redke in na splosno dokaj nestrokovne najbolj znane so navedbe davida jonesa kemika kolumnista pri reviji nature bil je obsirno citiran v clanku o nanotehnologiji v reviji scientific american s trditvami kot so posamezni atomi so neverjetno premicni in reaktivni v trenutku se bodo zdruzili z okoliskim zrakom vodo sami med seboj s tekocino v kateri so monterji ali celo z monterji samimi vendar pa predlogi reaktivnih molekularnih orodij dolocajo da mora biti okolje inertno vakuum okoliskega zraka s katerim bi atomi lahko reagirali sploh ni ker polozaj molekularnih orodij nadzorujemo ne bodo reagirali med seboj ali z monterjem samim iz istega razloga kot spajkalnik ne reagira s kozo uporabnika joneseve kritike vrzejo vecji dvom na njegovo poznavanje podrocja kot na moznost razvoja nanotehnologije ostale trditve o neizvedljivosti nanotehnologije so prav tako imele v oci bijoce pomanjkljivosti ki spominjajo na uvodnik v casniku new york times iz leta v katerem je zapisano da ni mozno poslati rakete na mesec ker v vesolju ni zraka proti kateremu bi lahko pritiskali kot naj bi bilo jasno iz tega besedila resnicno obstajajo velikanski tehnicni izzivi ki jih moramo premagati na nasi poti proti nanotehnologiji s pomocjo katere bi lahko izdelovali diamantoidne strukture resna vprasanja bi se morala torej ukvarjati z moznimi razvojnimi potmi in z ocenami casovne zahtevnosti cez koliko casa najbolj pogosto slisano vprasanje je kdaj kdaj bomo znali narediti molekularne racunalnike kdaj bomo znali izdelati cenene soncne celice ki nam bodo omogocile izkoriscanje ciste soncne energije namesto nafte premoga in jedrskega goriva kdaj bomo lahko raziskovali vesolje brez vecjih stroskov znanstveno pravilen odgovor bi bil ne vem vseeno pa je vredno omeniti da so bili trendi v razvoju racunalniske strojne opreme v zadnjih letih presenetljivo ustaljeni parametri kot so stevilo atomov potrebnih za shranitev enega bita velikost tranzistorja energija ki jo potrosi logicna operacija natancnost najboljse proizvodne tehnologije cena logicnih vrat so enakomerno padali cetudi se je tehnologija dramaticno spreminjala od relejev do elektronk tranzistorjev integriranih vezij in vezij vlsi zelo visoko integrirana vezja very large scale integrated circuits smo bili price stalnemu padanju velikosti in cen logicnih elementov in stalnemu narascanju zmogljivosti ekstrapolacija trendov kaze na to da bomo morali razviti molekularno proizvodnjo med leti in ce pricakujemo da se bo nasa racunalniska revolucija nadaljevala kot je predvideno seveda je ekstrapolacija zelo vprasljiva metoda predvidevanja sprememb v tehnologiji ceprav ni naravnega zakona ki bi nam prepreceval da v tem casu razvijemo nanotehnologijo pa tudi ni razloga da ne bi bilo zastoja najbolj zgreseno bi bilo misliti da je vnaprej doloceno kdaj bo prislo do sprememb da se bo nanotehnologija pojavila ne glede na to kaj bomo naredili vse je odvisno od nas ce se bomo tega lotili sistematicno bomo do cilja prisli hitreje kot ce bomo vse skupaj zanemarjali ali pa cakali da se bo to slucajno posrecilo nekomu drugemu ce bomo hkrati uporabljali teoreticen komputacijski in eksperimentalen pristop nam bo slo hitreje kot ce bi sli po eni sami poti ceprav pride do nekaterih odkritij po nakljucju ali pa z genialnimi prebliski pa trajajo druga veliko dlje ni prav verjetno da bo kaksen znanstvenik pozabil ugasniti bunsenov gorilnik v svojem laboratoriju kaksno popoldne zjutraj pa se bo vrnil in ugotovil da je po nesreci naredil vesoljsko plovilo razvoj molekularne nanotehnologije bo potreboval dolgoletno usklajeno delo velikega stevila ljudi tako kot je to bilo potrebno za pot na mesec za projekt manhatten in za razvoj sodobnih racunalnikov kako dolgo pa bo to trajalo vse je odvisno od tega kdaj bomo zaceli napisal ralph merkle prevedel rok zitko reprinted with permission from technology review published by the association of alumni and alumnae of mit copyright moj e mail naslov rok zitko student fmf uni lj si nazadnje obnovljeno sat oct local time zone must be set see zic manual page