La mecanosíntesis es un término que designa las síntesis químicas hipotéticas en las que los resultados de las reacciones están determinados por el uso de restricciones mecánicas para dirigir las moléculas reactivas a sitios moleculares específicos. Actualmente no existen síntesis químicas no biológicas que logren este objetivo. Se ha logrado cierta colocación atómica con microscopios de efecto túnel de barrido .
En la síntesis química convencional o quimiosíntesis , las moléculas reactivas se encuentran entre sí a través de un movimiento térmico aleatorio en un líquido o vapor. En un proceso hipotético de mecanosíntesis, las moléculas reactivas se unirían a sistemas mecánicos moleculares y sus encuentros serían el resultado de movimientos mecánicos que las unieran en secuencias, posiciones y orientaciones planificadas. Se prevé que la mecanosíntesis evitaría reacciones no deseadas al mantener separados a los reactivos potenciales y favorecería fuertemente las reacciones deseadas al mantener juntos a los reactivos en orientaciones óptimas durante muchos ciclos de vibración molecular . En biología, el ribosoma proporciona un ejemplo de un dispositivo mecanosintético programable.
Se ha realizado una forma no biológica de mecanoquímica a temperaturas criogénicas utilizando microscopios de efecto túnel de barrido . [1] Hasta ahora, estos dispositivos proporcionan el enfoque más cercano a las herramientas de fabricación para la ingeniería molecular . Una explotación más amplia de la mecanosíntesis espera una tecnología más avanzada para construir sistemas de máquinas moleculares , con sistemas similares a ribosomas como un objetivo temprano atractivo.
Gran parte del entusiasmo que despierta la mecanosíntesis avanzada se centra en su posible uso en el ensamblaje de dispositivos a escala molecular . Estas técnicas parecen tener muchas aplicaciones en la medicina, la aviación, la extracción de recursos, la fabricación y la guerra.
La mayoría de las exploraciones teóricas de máquinas avanzadas de este tipo se han centrado en el uso del carbono , debido a los numerosos enlaces fuertes que puede formar, los diversos tipos de química que estos enlaces permiten y la utilidad de estos enlaces en aplicaciones médicas y mecánicas. El carbono forma el diamante, por ejemplo, que, si estuviera disponible a bajo precio, sería un material excelente para muchas máquinas.
Se ha sugerido, en particular por K. Eric Drexler , que la mecanosíntesis será fundamental para la fabricación molecular basada en nanofábricas capaces de construir objetos macroscópicos con precisión atómica. El potencial de estas tecnologías ha sido cuestionado, en particular por el Premio Nobel Richard Smalley (quien propuso y luego criticó un enfoque inviable basado en " dedos de Smalley "). [2]
La Nanofactory Collaboration, [3] fundada por Robert Freitas y Ralph Merkle en 2000, es un esfuerzo continuo y enfocado que involucra a 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países que está desarrollando una agenda de investigación práctica [4] específicamente dirigida a la mecanosíntesis de diamantes controlada posicionalmente y al desarrollo de nanofábricas de diamantoides.
En la práctica, es posible llevar exactamente una molécula a un lugar conocido en la punta del microscopio, pero ha resultado difícil automatizarlo. Dado que los productos prácticos requieren al menos varios cientos de millones de átomos, esta técnica aún no ha demostrado ser práctica para formar un producto real.
El objetivo de una línea de investigación sobre mecanoensamblaje se centra en superar estos problemas mediante la calibración y la selección de reacciones de síntesis adecuadas. Algunos sugieren intentar desarrollar una máquina herramienta especializada, muy pequeña (de unos 1.000 nanómetros por lado) que pueda construir copias de sí misma utilizando medios mecanoquímicos, bajo el control de un ordenador externo. En la literatura, a una herramienta de este tipo se la denomina ensamblador o ensamblador molecular. Una vez que existan los ensambladores, el crecimiento geométrico (dirigir copias para que hagan copias) podría reducir rápidamente el coste de los ensambladores. El control por un ordenador externo debería permitir entonces que grandes grupos de ensambladores construyan proyectos grandes y útiles con precisión atómica. Uno de estos proyectos combinaría cintas transportadoras de nivel molecular con ensambladores montados permanentemente para producir una fábrica.
En parte para resolver esta y otras cuestiones relacionadas con los peligros de los accidentes industriales y los temores populares de eventos fuera de control equivalentes a los desastres de Chernóbil y Bhopal , y el problema más remoto de la ecofagia , la sustancia viscosa gris y la sustancia viscosa verde (varios desastres potenciales que surgen de replicadores fuera de control, que podrían construirse utilizando mecanosíntesis), la Royal Society y la Royal Academy of Engineering del Reino Unido encargaron en 2003 un estudio para abordar estos problemas y las implicaciones sociales y ecológicas más amplias, dirigido por la profesora de ingeniería mecánica Ann Dowling. Algunos esperaban que esto tomara una posición firme sobre estos problemas y potenciales, y sugiriera algún camino de desarrollo hacia una teoría general de la llamada mecanosíntesis. Sin embargo, el informe de nanotecnología de la Royal Society no abordó la fabricación molecular en absoluto, excepto para descartarla junto con la sustancia viscosa gris.
Las propuestas técnicas actuales para las nanofábricas no incluyen nanorobots autorreplicantes, y las directrices éticas recientes prohibirían el desarrollo de capacidades de autorreplicación sin restricciones en nanomáquinas. [5] [6]
Existe un creciente cuerpo de trabajo teórico revisado por pares sobre la síntesis de diamante mediante la eliminación/adición mecánica de átomos de hidrógeno [7] y el depósito de átomos de carbono [8] [9] [10] [11] [12 ] [13] (un proceso conocido como mecanosíntesis de diamante o DMS [14] ). Por ejemplo, el artículo de 2006 en este esfuerzo de investigación continuo de Freitas, Merkle y sus colaboradores informa que el motivo de punta de herramienta de mecanosíntesis más estudiado (DCB6Ge) coloca con éxito un dímero de carbono C 2 en una superficie de diamante C (110) tanto a 300 K (temperatura ambiente) como a 80 K ( temperatura del nitrógeno líquido ), y que la variante de silicio (DCB6Si) también funciona a 80 K pero no a 300 K. Estas puntas de herramienta están destinadas a ser utilizadas solo en entornos cuidadosamente controlados (por ejemplo, vacío). En el artículo III se indican los límites máximos aceptables para los errores de traslación y rotación de las puntas de las herramientas: las puntas de las herramientas deben colocarse con gran precisión para evitar que el dímero se una de forma incorrecta. En este estudio se invirtieron más de 100 000 horas de CPU.
El motivo de la punta de la herramienta DCB6Ge, descrito inicialmente en una conferencia Foresight en 2002, fue la primera punta de la herramienta completa propuesta para la mecanosíntesis de diamantes y sigue siendo el único motivo de punta de la herramienta que se ha simulado con éxito para su función prevista en una superficie de diamante completa de 200 átomos. Aunque un artículo anterior proporciona una velocidad de colocación prevista de 1 dímero por segundo para esta punta de la herramienta, este límite fue impuesto por la baja velocidad de recarga de la herramienta utilizando un método de recarga ineficiente [10] y no se basa en ninguna limitación inherente en la velocidad de uso de una punta de la herramienta cargada. Además, no se propuso ningún medio de detección para discriminar entre los tres resultados posibles de un intento de colocación de dímero (deposición en la ubicación correcta, deposición en la ubicación incorrecta y no colocar el dímero en absoluto) porque la propuesta inicial era colocar la punta de la herramienta mediante estimación, con la reacción adecuada asegurada mediante el diseño de energías químicas apropiadas y fuerzas de enlace relativas para la interacción de la punta de la herramienta con la superficie.
Un trabajo teórico más reciente [15] analiza un conjunto completo de nueve herramientas moleculares hechas de hidrógeno, carbono y germanio capaces de (a) sintetizar todas las herramientas del conjunto, (b) recargar todas las herramientas del conjunto a partir de moléculas de materia prima adecuadas y (c) sintetizar una amplia gama de hidrocarburos rígidos (diamante, grafito, fulerenos y similares). Todas las reacciones requeridas se analizan utilizando métodos estándar de química cuántica ab initio.
Las investigaciones futuras [16] para considerar puntas alternativas requerirán química computacional que consume mucho tiempo y trabajo de laboratorio difícil. A principios de la década de 2000, una disposición experimental típica era unir una molécula a la punta de un microscopio de fuerza atómica y luego usar las capacidades de posicionamiento preciso del microscopio para empujar la molécula en la punta hacia otra en un sustrato. Dado que los ángulos y las distancias se pueden controlar con precisión y la reacción ocurre en el vacío, son posibles nuevos compuestos químicos y disposiciones.
La técnica de mover átomos individuales mecánicamente fue propuesta por Eric Drexler en su libro de 1986 Los motores de la creación .
En 1989, investigadores del Instituto de Investigación de IBM en Zúrich lograron deletrear con éxito las letras "IBM" en átomos de xenón sobre una superficie criogénica de cobre, lo que validó ampliamente el método. [1] [17] Desde entonces, se han llevado a cabo varios proyectos de investigación para utilizar técnicas similares para almacenar datos informáticos de forma compacta. Más recientemente, la técnica se ha utilizado para explorar nuevas químicas físicas, a veces utilizando láseres para excitar las puntas a estados de energía particulares, o para examinar la química cuántica de enlaces químicos particulares.
En 1999, se sugirió una metodología probada experimentalmente llamada escaneo orientado a características [18] [19] (FOS). La metodología de escaneo orientado a características permite controlar con precisión la posición de la sonda de un microscopio de sonda de escaneo (SPM) sobre una superficie atómica a temperatura ambiente. La metodología sugerida admite el control completamente automático de instrumentos de una o varias sondas para resolver tareas de mecanosíntesis y nanofabricación de abajo hacia arriba .
En 2003, Oyabu et al. [20] informaron el primer caso de formación y ruptura de enlaces covalentes de base puramente mecánica, es decir, la primera demostración experimental de verdadera mecanosíntesis, aunque con átomos de silicio en lugar de carbono.
En 2005 se presentó la primera solicitud de patente sobre la mecanosíntesis del diamante [21] .
En 2008, se propuso una subvención de 3,1 millones de dólares [22] para financiar el desarrollo de un sistema de mecanosíntesis de prueba de principio.
En 2013, IBM realizó A Boy and His Atom , un cortometraje animado que utiliza átomos. [23]
Véase también nanotecnología molecular , una explicación más general de los posibles productos y una discusión de otras técnicas de ensamblaje.