La nanotecnología molecular ( MNT ) es una tecnología basada en la capacidad de construir estructuras según especificaciones atómicas complejas mediante mecanosíntesis . [1] Esto es distinto de los materiales a nanoescala .
Basada en la visión de Richard Feynman de fábricas en miniatura que utilizan nanomáquinas para construir productos complejos ( incluyendo nanomáquinas adicionales ), esta forma avanzada de nanotecnología (o fabricación molecular [2] ) haría uso de mecanosíntesis controlada posicionalmente guiada por sistemas de máquinas moleculares .
La MNT implicaría combinar principios físicos demostrados por la biofísica , la química , otras nanotecnologías y la maquinaria molecular de la vida con los principios de ingeniería de sistemas que se encuentran en las modernas fábricas a macroescala.
Mientras que la química convencional utiliza procesos inexactos para obtener resultados inexactos, y la biología explota procesos inexactos para obtener resultados definitivos, la nanotecnología molecular emplearía procesos definitivos originales para obtener resultados definitivos. El objetivo de la nanotecnología molecular sería equilibrar las reacciones moleculares en posiciones y orientaciones controladas para obtener las reacciones químicas deseadas y luego construir sistemas mediante el ensamblaje posterior de los productos de estas reacciones.
Una hoja de ruta para el desarrollo de MNT es un objetivo de un proyecto tecnológico de base amplia dirigido por Battelle (el gerente de varios Laboratorios Nacionales de EE. UU.) y el Foresight Institute . [3] La hoja de ruta estaba originalmente programada para completarse a fines de 2006, pero se publicó en enero de 2008. [4] La Nanofactory Collaboration [5] es un esfuerzo continuo más centrado que involucra a 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países que está desarrollando una agenda de investigación práctica [6] dirigida específicamente a la mecanosíntesis de diamantes controlada por posición y al desarrollo de nanofábricas de diamantoides. En agosto de 2005, el Centro para la Nanotecnología Responsable organizó un grupo de trabajo compuesto por más de 50 expertos internacionales de varios campos para estudiar las implicaciones sociales de la nanotecnología molecular. [7]
Cualquier tipo de material diseñado y fabricado a escala nanométrica para una tarea específica es un material inteligente . Si los materiales pudieran diseñarse para responder de manera diferente a diversas moléculas, por ejemplo, los medicamentos artificiales podrían reconocer y volver inertes a virus específicos . Las estructuras autocurativas repararían pequeños desgarros en una superficie de manera natural, de la misma manera que lo hace la piel humana.
Un nanosensor se parecería a un material inteligente, que incluiría un pequeño componente dentro de una máquina más grande que reaccionaría a su entorno y cambiaría de alguna manera fundamental e intencional. Un ejemplo muy simple: un fotosensor podría medir pasivamente la luz incidente y descargar su energía absorbida como electricidad cuando la luz pase por encima o por debajo de un umbral especificado, enviando una señal a una máquina más grande. Se supone que un sensor de este tipo costaría menos [ ¿según quién? ] y consumiría menos energía que un sensor convencional, y aun así funcionaría de manera útil en todas las mismas aplicaciones; por ejemplo, encender las luces del estacionamiento cuando oscurece.
Si bien los materiales inteligentes y los nanosensores ejemplifican aplicaciones útiles de los MNT, palidecen en comparación con la complejidad de la tecnología más popularmente asociada con el término: el nanorobot replicador .
La nanofabricación MNT se asocia popularmente con la idea de enjambres de robots nanométricos coordinados trabajando juntos, una popularización de una propuesta temprana de K. Eric Drexler en sus discusiones de 1986 sobre MNT , pero reemplazada en 1992. En esta propuesta temprana, nanorobots suficientemente capaces construirían más nanorobots en un entorno artificial que contiene bloques de construcción moleculares especiales.
Los críticos han dudado tanto de la viabilidad de los nanorobots autorreplicantes como de la viabilidad del control si se pudieran lograr nanorobots autorreplicantes: citan la posibilidad de que las mutaciones eliminen cualquier control y favorezcan la reproducción de variaciones patógenas mutantes. Los defensores abordan la primera duda señalando que el primer replicador de máquina autónomo a macroescala, hecho de bloques de Lego , se construyó y operó experimentalmente en 2002. [8] Si bien existen ventajas sensoriales presentes en la macroescala en comparación con el sensorio limitado disponible en la nanoescala, las propuestas para sistemas de fabricación mecanosintética a nanoescala controlados posicionalmente emplean la estimación de las descripciones de las herramientas combinadas con un diseño de secuencia de reacción confiable para garantizar resultados confiables, por lo tanto, un sensorio limitado no es una desventaja; consideraciones similares se aplican al ensamblaje posicional de pequeñas nanopartes. Los defensores abordan la segunda duda argumentando que las bacterias (por necesidad) evolucionan para evolucionar, mientras que la mutación de los nanorobots podría prevenirse activamente mediante técnicas comunes de corrección de errores . Se defienden ideas similares en las Directrices de previsión sobre nanotecnología molecular [9] , y un mapa del espacio de diseño de replicadores de 137 dimensiones [10] publicado recientemente por Freitas y Merkle proporciona numerosos métodos propuestos por los cuales los replicadores podrían, en principio, controlarse de forma segura mediante un buen diseño.
Sin embargo, el concepto de suprimir la mutación plantea la pregunta: ¿cómo puede ocurrir la evolución del diseño a escala nanométrica sin un proceso de mutación aleatoria y selección determinista? Los críticos sostienen que los defensores de la MNT no han proporcionado un sustituto para ese proceso de evolución en este ámbito de la nanoescala, donde faltan los procesos de selección basados en los sentidos convencionales. Los límites del sensorio disponible a escala nanométrica podrían hacer que sea difícil o imposible distinguir los éxitos de los fracasos. Los defensores sostienen que la evolución del diseño debería ocurrir de manera determinista y estrictamente bajo control humano, utilizando el paradigma de ingeniería convencional de modelado, diseño, creación de prototipos, pruebas, análisis y rediseño.
En cualquier caso, desde 1992 las propuestas técnicas para MNT no incluyen nanorobots autorreplicantes, y las recientes directrices éticas propuestas por los defensores de MNT prohíben la autorreplicación sin restricciones. [9] [11]
Una de las aplicaciones más importantes de la nanotecnología médica sería la nanorobótica o nanomedicina , un área en la que Robert Freitas fue pionero en numerosos libros [12] y artículos. [13] La capacidad de diseñar, construir y desplegar grandes cantidades de nanorobots médicos haría posible, como mínimo, la rápida eliminación de enfermedades y la recuperación confiable y relativamente indolora de traumas físicos. Los nanorobots médicos también podrían hacer posible la corrección conveniente de defectos genéticos y ayudar a asegurar una vida útil mucho más prolongada. Más controvertidamente, los nanorobots médicos podrían usarse para aumentar las capacidades humanas naturales . Un estudio ha informado sobre cómo condiciones como tumores, arteriosclerosis , coágulos de sangre que conducen a accidentes cerebrovasculares, acumulación de tejido cicatricial y focos localizados de infección pueden abordarse mediante el empleo de nanorobots médicos. [14] [15]
Otra aplicación propuesta de la nanotecnología molecular es la “ niebla de utilidad ” [16] , en la que una nube de robots microscópicos en red (más simples que los ensambladores ) cambiaría su forma y propiedades para formar objetos y herramientas macroscópicos de acuerdo con comandos de software. En lugar de modificar las prácticas actuales de consumo de bienes materiales en diferentes formas, la niebla de utilidad simplemente reemplazaría muchos objetos físicos.
Otra aplicación propuesta de la MNT sería la óptica de matriz en fase (PAO). [17] Sin embargo, este parece ser un problema que se puede solucionar con la tecnología nanométrica convencional. La PAO utilizaría el principio de la tecnología milimétrica de matriz en fase pero en longitudes de onda ópticas. Esto permitiría la duplicación de cualquier tipo de efecto óptico, pero de forma virtual. Los usuarios podrían solicitar hologramas, amaneceres y atardeceres, o láseres flotantes, según les apetezca. Los sistemas PAO se describieron en Nanotechnology: Molecular Speculations on Global Abundance de BC Crandall en el artículo "Phased-Array Optics" de Brian Wowk . [18]
La fabricación molecular es un posible subcampo futuro de la nanotecnología que permitiría construir estructuras complejas con precisión atómica. [19] La fabricación molecular requiere avances significativos en nanotecnología, pero una vez logrados, podrían producirse productos altamente avanzados a bajo costo y en grandes cantidades en nanofábricas que pesen un kilogramo o más. [19] [20] Cuando las nanofábricas adquieran la capacidad de producir otras nanofábricas, la producción solo podrá verse limitada por factores relativamente abundantes, como materiales de entrada, energía y software. [20]
Los productos de la fabricación molecular podrían ir desde versiones más baratas y producidas en masa de productos de alta tecnología conocidos hasta productos novedosos con capacidades añadidas en muchas áreas de aplicación. Algunas aplicaciones que se han sugerido son los materiales inteligentes avanzados , los nanosensores, los nanorobots médicos y los viajes espaciales. [19] Además, la fabricación molecular podría utilizarse para producir de forma barata armas muy avanzadas y duraderas, que es un área de especial preocupación en relación con el impacto de la nanotecnología. [20] Al estar equipados con ordenadores y motores compactos, estos podrían ser cada vez más autónomos y tener una amplia gama de capacidades. [20]
Según Chris Phoenix y Mike Treder del Centro para la Nanotecnología Responsable, así como Anders Sandberg del Instituto del Futuro de la Humanidad, la fabricación molecular es la aplicación de la nanotecnología que plantea el riesgo catastrófico global más significativo . [20] [21] Varios investigadores en nanotecnología afirman que la mayor parte del riesgo de la nanotecnología proviene del potencial de conducir a la guerra, carreras armamentistas y un gobierno global destructivo. [20] [21] [22] Se han sugerido varias razones por las que la disponibilidad de armamento nanotecnológico puede, con una probabilidad significativa, conducir a carreras armamentistas inestables (en comparación con, por ejemplo, las carreras armamentistas nucleares): (1) Un gran número de jugadores puede verse tentado a entrar en la carrera, ya que el umbral para hacerlo es bajo; [20] (2) la capacidad de fabricar armas con fabricación molecular será barata y fácil de ocultar; [20] (3) por lo tanto, la falta de conocimiento de las capacidades de las otras partes puede tentar a los jugadores a armarse por precaución o a lanzar ataques preventivos; [20] [23] (4) la fabricación molecular puede reducir la dependencia del comercio internacional, [20] un factor potencial de promoción de la paz; [24] (5) las guerras de agresión pueden representar una amenaza económica menor para el agresor ya que la fabricación es barata y puede que no se necesiten seres humanos en el campo de batalla. [20]
Como la autorregulación por parte de todos los actores estatales y no estatales parece difícil de lograr, [25] se han propuesto medidas para mitigar los riesgos relacionados con la guerra principalmente en el área de la cooperación internacional . [20] [26] Se puede expandir la infraestructura internacional otorgando más soberanía al nivel internacional. Esto podría ayudar a coordinar los esfuerzos para el control de armamentos. [27] También se pueden diseñar instituciones internacionales dedicadas específicamente a la nanotecnología (quizás de manera análoga al Organismo Internacional de Energía Atómica OIEA ) o al control general de armamentos. [26] También se puede lograr conjuntamente un progreso tecnológico diferencial en tecnologías defensivas, una política que los actores deberían favorecer generalmente. [20] El Centro para la Nanotecnología Responsable también sugiere algunas restricciones técnicas. [28] Una mayor transparencia con respecto a las capacidades tecnológicas puede ser otro facilitador importante para el control de armamentos. [29]
Otro escenario catastrófico es el de la sustancia viscosa gris , propuesta por Eric Drexler en su libro Engines of Creation (Motores de la creación) de 1986 [30] , que Freitas analizó en "Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, with Public Policy Recommendations" [31] y que ha sido un tema en los medios de comunicación y la ficción. [32] [33] Este escenario implica pequeños robots autorreplicantes que consumen toda la biosfera utilizándola como fuente de energía y bloques de construcción. Los expertos en nanotecnología, incluido Drexler, ahora desacreditan el escenario. Según Chris Phoenix, "la denominada sustancia viscosa gris solo podría ser el producto de un proceso de ingeniería deliberado y difícil, no un accidente". [34] Con la llegada de la nanobiotecnología, se ha propuesto un escenario diferente llamado sustancia viscosa verde . En este caso, la sustancia maligna no son nanobots, sino organismos biológicos autorreplicantes diseñados mediante nanotecnología.
La nanotecnología (o nanotecnología molecular, para referirnos más específicamente a los objetivos que aquí se analizan) nos permitirá continuar con las tendencias históricas de la fabricación hasta los límites fundamentales impuestos por las leyes físicas. Nos permitirá fabricar ordenadores moleculares extraordinariamente potentes. Nos permitirá fabricar materiales cincuenta veces más ligeros que el acero o las aleaciones de aluminio, pero con la misma resistencia. Podremos fabricar aviones, cohetes, coches o incluso sillas que, según los estándares actuales, serían extraordinariamente ligeros, resistentes y baratos. Las herramientas quirúrgicas moleculares, guiadas por ordenadores moleculares e inyectadas en el torrente sanguíneo podrían encontrar y destruir células cancerosas o bacterias invasoras, destapar arterias o proporcionar oxígeno cuando la circulación está alterada.
La nanotecnología reemplazará toda nuestra base manufacturera por una nueva forma de fabricar productos, radicalmente más precisa, radicalmente menos costosa y radicalmente más flexible. El objetivo no es simplemente reemplazar las plantas de fabricación de chips de computadora actuales, sino también las líneas de montaje de automóviles, televisores, teléfonos, libros, instrumentos quirúrgicos, misiles, estanterías, aviones, tractores y todo lo demás. El objetivo es un cambio generalizado en la fabricación, un cambio que prácticamente no dejará ningún producto intacto. El progreso económico y la preparación militar en el siglo XXI dependerán fundamentalmente del mantenimiento de una posición competitiva en nanotecnología.
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A pesar de que la nanotecnología y la nanotecnología molecular se encuentran en una etapa de desarrollo inicial, existe gran preocupación por el impacto previsto de la nanotecnología molecular en la economía [36] [37] y en el derecho . Cualesquiera que sean los efectos exactos, la nanotecnología molecular, si se logra, tenderá a reducir la escasez de bienes manufacturados y hará que muchos más bienes (como alimentos y productos sanitarios) sean manufacturables.
La nanotecnología debería permitir la creación de capacidades nanomédicas capaces de curar cualquier dolencia que no haya sido curada ya por los avances en otras áreas. La buena salud sería algo común y la mala salud de cualquier tipo sería tan rara como lo son hoy la viruela y el escorbuto . Incluso la criogenización sería factible, ya que el tejido criopreservado podría repararse por completo.
La nanotecnología molecular es una de las tecnologías que algunos analistas creen que podría conducir a una singularidad tecnológica , en la que el crecimiento tecnológico se ha acelerado hasta el punto de tener efectos impredecibles. Algunos efectos podrían ser beneficiosos, mientras que otros podrían ser perjudiciales, como la utilización de la nanotecnología molecular por una inteligencia artificial general hostil . [38] Algunos creen que la nanotecnología molecular tendría riesgos desalentadores. [39] Es posible que permita armas convencionales más baratas y más destructivas . Además, la nanotecnología molecular podría permitir armas de destrucción masiva que podrían autorreplicarse, como lo hacen los virus y las células cancerosas cuando atacan el cuerpo humano. Los comentaristas generalmente coinciden en que, en el caso de que se desarrollara la nanotecnología molecular, su autorreplicación debería permitirse solo en condiciones muy controladas o "inherentemente seguras".
Existe el temor de que los robots nanomecánicos, si se logran y se diseñan para autorreplicarse utilizando materiales naturales (una tarea difícil), podrían consumir todo el planeta en su hambre de materias primas, [40] o simplemente desplazar a la vida natural, compitiendo con ella por la energía (como ocurrió históricamente cuando aparecieron las algas verdeazuladas y superaron a las formas de vida anteriores). Algunos comentaristas se han referido a esta situación como el escenario de la " sustancia viscosa gris " o " ecofagia ". K. Eric Drexler considera que un escenario de "sustancia viscosa gris" accidental es extremadamente improbable y así lo dice en ediciones posteriores de Engines of Creation .
En vista de esta percepción de peligro potencial, el Foresight Institute , fundado por Drexler, ha preparado un conjunto de directrices [41] para el desarrollo ético de la nanotecnología, entre las que se incluye la prohibición de pseudoorganismos autorreplicantes que se alimentan libremente en la superficie de la Tierra, al menos, y posiblemente en otros lugares.
La viabilidad de las tecnologías básicas analizadas en Nanosystems ha sido objeto de una revisión científica formal por parte de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, y también ha sido foco de un amplio debate en Internet y en la prensa popular.
En 2006, la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos publicó el informe de un estudio de fabricación molecular como parte de un informe más extenso, A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative [42]. El comité de estudio revisó el contenido técnico de Nanosystems y en su conclusión afirma que ningún análisis teórico actual puede considerarse definitivo con respecto a varias cuestiones de rendimiento potencial del sistema y que no se pueden predecir con seguridad los caminos óptimos para implementar sistemas de alto rendimiento. Recomienda la investigación experimental para avanzar en el conocimiento en esta área:
En el título de un capítulo de Los motores de la creación de Drexler se lee [43] "Ensambladores universales", y el texto que sigue habla de múltiples tipos de ensambladores que, colectivamente, podrían hipotéticamente "construir casi cualquier cosa que las leyes de la naturaleza permitan que exista". El colega de Drexler, Ralph Merkle, ha señalado que, contrariamente a la leyenda generalizada, [44] Drexler nunca afirmó que los sistemas ensambladores pudieran construir absolutamente cualquier estructura molecular. Las notas finales del libro de Drexler explican la calificación "casi": "Por ejemplo, se podría diseñar una estructura delicada que, como un arco de piedra, se autodestruiría a menos que todas sus piezas ya estuvieran en su lugar. Si no hubiera espacio en el diseño para la colocación y retirada de un andamio, entonces la estructura podría ser imposible de construir. Sin embargo, pocas estructuras de interés práctico parecen presentar ese problema".
En 1992, Drexler publicó Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation [45] , una propuesta detallada para sintetizar estructuras covalentes rígidas utilizando una fábrica de sobremesa. Las estructuras de diamante y otras estructuras covalentes rígidas, si se logran, tendrían una amplia gama de posibles aplicaciones, que irían mucho más allá de la tecnología MEMS actual . En 1992 se presentó un esquema de un camino para construir una fábrica de sobremesa en ausencia de un ensamblador. Otros investigadores han comenzado a proponer caminos alternativos tentativos [5] para esto en los años posteriores a la publicación de Nanosystems.
En 2004, Richard Jones escribió Soft Machines (nanotechnology and life), un libro para público no especializado publicado por la Universidad de Oxford . En este libro, describe la nanotecnología radical (tal como la propugna Drexler) como una idea determinista/mecanicista de máquinas diseñadas a nanoescala que no tiene en cuenta los desafíos de la nanoescala, como la humedad , la pegajosidad , el movimiento browniano y la alta viscosidad . También explica qué es la nanotecnología blanda o, más apropiadamente, la nanotecnología biomimética , que es el camino a seguir, si no el mejor, para diseñar nanodispositivos funcionales que puedan hacer frente a todos los problemas a nanoescala. Se puede pensar en la nanotecnología blanda como el desarrollo de nanomáquinas que utilizan las lecciones aprendidas de la biología sobre cómo funcionan las cosas, la química para diseñar con precisión dichos dispositivos y la física estocástica para modelar el sistema y sus procesos naturales en detalle.
Varios investigadores, incluido el ganador del Premio Nobel Dr. Richard Smalley (1943-2005), [46] atacaron la noción de ensambladores universales, lo que llevó a una refutación de Drexler y colegas, [47] y finalmente a un intercambio de cartas. [48] Smalley argumentó que la química es extremadamente complicada, las reacciones son difíciles de controlar y que un ensamblador universal es ciencia ficción. Drexler y colegas, sin embargo, notaron que Drexler nunca propuso ensambladores universales capaces de hacer absolutamente cualquier cosa, sino que propuso ensambladores más limitados capaces de hacer una amplia variedad de cosas. Cuestionaron la relevancia de los argumentos de Smalley para las propuestas más específicas presentadas en Nanosystems . Además, Smalley argumentó que casi toda la química moderna involucra reacciones que tienen lugar en un solvente (generalmente agua ), porque las pequeñas moléculas de un solvente contribuyen a muchas cosas, como reducir las energías de enlace para los estados de transición. Dado que casi toda la química conocida requiere un solvente, Smalley sintió que la propuesta de Drexler de usar un entorno de alto vacío no era factible. Sin embargo, Drexler aborda este tema en Nanosystems al demostrar matemáticamente que los catalizadores bien diseñados pueden proporcionar los efectos de un disolvente y pueden ser fundamentalmente más eficientes que una reacción disolvente/ enzima . Cabe destacar que, contrariamente a la opinión de Smalley de que las enzimas requieren agua, "las enzimas no sólo trabajan vigorosamente en medios orgánicos anhidros, sino que en este medio antinatural adquieren propiedades notables como una estabilidad muy mejorada, especificidades de sustrato y enantioméricas radicalmente alteradas , memoria molecular y la capacidad de catalizar reacciones inusuales". [49]
En el futuro, se deben encontrar algunos medios para la evolución del diseño de MNT a escala nanométrica que imite el proceso de evolución biológica a escala molecular. La evolución biológica se produce por variación aleatoria en promedios de conjuntos de organismos combinados con la eliminación de las variantes menos exitosas y la reproducción de las variantes más exitosas, y el diseño de ingeniería a escala macroscópica también se produce por un proceso de evolución del diseño desde la simplicidad a la complejidad, como lo expone de manera algo satírica John Gall : "Se descubre invariablemente que un sistema complejo que funciona ha evolucionado a partir de un sistema simple que funcionaba... Un sistema complejo diseñado desde cero nunca funciona y no se puede remendar para que funcione. Hay que empezar de nuevo, comenzando con un sistema que funciona". [50] Se necesita un avance en MNT que proceda de los conjuntos atómicos simples que se pueden construir, por ejemplo, con un STM a sistemas MNT complejos a través de un proceso de evolución del diseño. Una desventaja de este proceso es la dificultad de ver y manipular a escala nanométrica en comparación con la macroescala, lo que dificulta la selección determinista de ensayos exitosos; en contraste, la evolución biológica procede a través de la acción de lo que Richard Dawkins ha llamado el "relojero ciego" [51], que comprende variación molecular aleatoria y reproducción/extinción determinista.
En la actualidad, en 2007, la práctica de la nanotecnología abarca tanto enfoques estocásticos (en los que, por ejemplo, la química supramolecular crea pantalones impermeables) como enfoques deterministas en los que moléculas individuales (creadas mediante química estocástica) se manipulan sobre superficies de sustratos (creadas mediante métodos de deposición estocástica) mediante métodos deterministas que comprenden empujarlas con sondas STM o AFM y provocar que se produzcan reacciones simples de unión o escisión. El sueño de una nanotecnología molecular compleja y determinista sigue siendo esquivo. Desde mediados de la década de 1990, miles de científicos de superficies y tecnócratas de películas delgadas se han sumado a la moda de la nanotecnología y han redefinido sus disciplinas como nanotecnología. Esto ha causado mucha confusión en el campo y ha generado miles de artículos "nano" en la literatura revisada por pares. La mayoría de estos informes son extensiones de la investigación más común realizada en los campos originales.
Por lo tanto, la viabilidad de las propuestas de Drexler depende en gran medida de que diseños como los de Nanosystems puedan construirse en ausencia de un ensamblador universal que los construya y funcionen como se describe. Los partidarios de la nanotecnología molecular afirman con frecuencia que no se han descubierto errores significativos en Nanosystems desde 1992. Incluso algunos críticos admiten [52] que "Drexler ha considerado cuidadosamente una serie de principios físicos que subyacen a los aspectos de 'alto nivel' de los nanosistemas que propone y, de hecho, ha pensado con cierto detalle" sobre algunas cuestiones.
Otros críticos sostienen, sin embargo, que Nanosystems omite importantes detalles químicos sobre el "lenguaje de máquina" de bajo nivel de la nanotecnología molecular. [53] [54] [55] [56] También afirman que gran parte de la química de bajo nivel de Nanosystems requiere un trabajo adicional extenso y que, por lo tanto, los diseños de alto nivel de Drexler se basan en fundamentos especulativos. El trabajo adicional reciente de Freitas y Merkle [57] tiene como objetivo fortalecer estos fundamentos al llenar los vacíos existentes en la química de bajo nivel.
Drexler sostiene que tal vez debamos esperar hasta que nuestra nanotecnología convencional mejore antes de resolver estos problemas: "La fabricación molecular será el resultado de una serie de avances en los sistemas de máquinas moleculares, de forma muy similar a como el primer alunizaje fue el resultado de una serie de avances en los sistemas de cohetes de combustible líquido . Ahora estamos en una posición similar a la de la Sociedad Interplanetaria Británica de la década de 1930, que describió cómo los cohetes multietapa alimentados con combustible líquido podrían llegar a la Luna y señaló los primeros cohetes como ilustraciones del principio básico". [58] Sin embargo, Freitas y Merkle sostienen [59] que un esfuerzo concentrado para lograr la mecanosíntesis de diamantes (DMS) puede comenzar ahora, utilizando la tecnología existente, y podría lograr el éxito en menos de una década si su "enfoque directo a DMS se persigue en lugar de un enfoque de desarrollo más tortuoso que busca implementar tecnologías de fabricación molecular no diamantoides menos eficaces antes de progresar hacia los diamantoides".
Para resumir los argumentos en contra de la viabilidad: en primer lugar, los críticos sostienen que una barrera primaria para lograr la nanotecnología molecular es la falta de una manera eficiente de crear máquinas a escala molecular/atómica, especialmente en ausencia de una ruta bien definida hacia un ensamblador autorreplicante o una nanofábrica de diamantoides. Los defensores responden que se está desarrollando una ruta de investigación preliminar que conduzca a una nanofábrica de diamantoides. [6]
Una segunda dificultad para alcanzar la nanotecnología molecular es el diseño. El diseño manual de un engranaje o cojinete a nivel de átomos puede llevar unas pocas o varias semanas. Si bien Drexler, Merkle y otros han creado diseños de piezas sencillas, no se ha intentado ningún esfuerzo de diseño exhaustivo para algo que se acerque a la complejidad de un Ford Modelo T. Los defensores responden que es difícil emprender un esfuerzo de diseño exhaustivo en ausencia de una financiación significativa para tales esfuerzos y que, a pesar de esta desventaja, se ha logrado mucho diseño anticipado útil con nuevas herramientas de software que se han desarrollado, por ejemplo, en Nanorex. [60]
En el último informe A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative [42] publicado por la National Academies Press en diciembre de 2006 (aproximadamente veinte años después de la publicación de Engines of Creation), no se podía ver todavía un camino claro hacia la nanotecnología molecular, como se indica en la conclusión de la página 108 de ese informe: "Aunque hoy se pueden hacer cálculos teóricos, el rango eventualmente alcanzable de ciclos de reacción química, tasas de error, velocidad de operación y eficiencias termodinámicas de tales sistemas de fabricación de abajo hacia arriba no se pueden predecir de manera confiable en este momento. Por lo tanto, la perfección y complejidad eventualmente alcanzables de los productos manufacturados, aunque se pueden calcular en teoría, no se pueden predecir con confianza. Finalmente, los caminos óptimos de investigación que podrían llevar a sistemas que excedan ampliamente las eficiencias termodinámicas y otras capacidades de los sistemas biológicos no se pueden predecir de manera confiable en este momento. La financiación de la investigación que se basa en la capacidad de los investigadores para producir demostraciones experimentales que se vinculen con modelos abstractos y guíen la visión a largo plazo es lo más apropiado para lograr este objetivo". Este llamado a la investigación que conduzca a demostraciones es bien recibido por grupos como Nanofactory Collaboration, que buscan específicamente éxitos experimentales en la mecanosíntesis de diamantes. [61] La "Hoja de ruta tecnológica para nanosistemas productivos " [62] tiene como objetivo ofrecer perspectivas constructivas adicionales.
Tal vez sea interesante preguntarse si la mayoría de las estructuras compatibles con las leyes físicas pueden ser fabricadas. Los defensores de esta teoría afirman que para lograr la mayor parte de la visión de la fabricación molecular no es necesario ser capaz de construir "ninguna estructura que sea compatible con las leyes naturales". Más bien, es necesario ser capaz de construir sólo un subconjunto suficiente (posiblemente modesto) de tales estructuras, como es cierto, de hecho, en cualquier proceso práctico de fabricación utilizado en el mundo actual, e incluso en biología. En cualquier caso, como dijo una vez Richard Feynman , "es científico sólo decir qué es más o menos probable, y no estar demostrando todo el tiempo qué es posible o imposible". [63]
Hay un creciente cuerpo de trabajo teórico revisado por pares sobre la síntesis de diamante mediante la eliminación/adición mecánica de átomos de hidrógeno [64] y el depósito de átomos de carbono [65] [66] [67] [68] [69] [70] (un proceso conocido como mecanosíntesis ). Este trabajo está permeando lentamente la comunidad nanocientífica más amplia y está siendo criticado. Por ejemplo, Peng et al. (2006) [71] (en el 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. Se invirtieron más de 100.000 horas de CPU en este último estudio. El motivo de descripción de herramienta DCB6, descrito inicialmente por Merkle y Freitas en una conferencia Foresight en 2002, fue la primera descripción de herramienta completa jamás propuesta para la mecanosíntesis de diamantes y sigue siendo el único motivo de descripción de herramienta que se ha simulado con éxito para su función prevista en una superficie completa de diamante de 200 átomos.
Las puntas de herramientas modeladas en este trabajo están destinadas a ser utilizadas únicamente en entornos cuidadosamente controlados (por ejemplo, vacío). Los límites máximos aceptables para errores de mala colocación de la punta de herramienta por traslación y rotación se informan en Peng et al. (2006): las puntas de herramienta deben colocarse con gran precisión para evitar unir el dímero de forma incorrecta. Peng et al. (2006) informan que aumentar el grosor del mango de 4 planos de soporte de átomos de C por encima de la punta de herramienta a 5 planos disminuye la frecuencia de resonancia de toda la estructura de 2,0 THz a 1,8 THz. Más importante aún, las huellas vibracionales de una punta de herramienta DCB6Ge montada en un mango de 384 átomos y de la misma punta de herramienta montada en un mango de "barra transversal" de 636 átomos con restricciones similares pero mucho más grande son prácticamente idénticas en las direcciones sin barra transversal. Son bienvenidos estudios computacionales adicionales que modelen estructuras de mango aún más grandes, pero la capacidad de posicionar con precisión las puntas de SPM con la precisión atómica requerida se ha demostrado repetidamente de manera experimental a baja temperatura, [72] [73] o incluso a temperatura ambiente [74] [75], lo que constituye una prueba básica de existencia de esta capacidad.
Las investigaciones futuras [76] para considerar información sobre herramientas adicionales requerirán química computacional que consume mucho tiempo y trabajo de laboratorio difícil.
Una nanofábrica funcional requeriría una variedad de puntas bien diseñadas para diferentes reacciones y análisis detallados de la colocación de átomos en superficies más complicadas. Aunque esto parece un problema desafiante dados los recursos actuales, habrá muchas herramientas disponibles para ayudar a los investigadores futuros: la ley de Moore predice mayores aumentos en la potencia de las computadoras, las técnicas de fabricación de semiconductores continúan acercándose a la nanoescala y los investigadores se vuelven cada vez más hábiles en el uso de proteínas , ribosomas y ADN para realizar química novedosa.
