Подробнее о механосинтезе

Инструмент отделения водорода -
ИОВ Фрайтаса и Меркле

Молекулярная нанотехнология по определению подразумевает манипулирование отдельными атомами. Для построения этактичных (от греческого eu taktikos – «упорядоченный, правильно сложенный», в данном контексте употребляется для того, чтобы описать структуру, изготовленную с атомарной точностью) наносистем и наноробототехники потребуется механосинтез – т.е. сборка этих компонентов из отдельных атомов.

«Механохимия – ветвь химии, изучающая химические и физико-химические изменения веществ во всех агрегатных состояних, связанные с воздействием на вещества механической энергии». Это определение дано Оствальдом в 1984 году. С тех пор механохимия использовалась, в основном, для описания превращения механической энергии в химическую в полимерах (Паркер, 1984) и химической энергии в механическую в биологических молекулярных моторах (Цесале и Портер 1978, Карло Монтеманьо 1998–2003). Причем процессы, происходящие в молекулярных моторах правильнее назвать хемомеханическими, по направлению превращения энергии. Механохимия описывает процессы, в которых механическое движение управляет химической реакцией, производя сближение молекул а, также, обеспечивая энергию активации. Термин же механосинтез  был введен для того, чтобы описать механохимические процессы, происходящие при построении сложной молекулярной системы. Механохимия в природе представлена в реакциях, протекающих в жидких кристаллах, а, также, в активных центрах энзимов. В дебатах Смэлли-Дрекслер о механосинтезе и ассемблерах нобелевский лауреат совсем забыл о том, что большинство активных центров энзимов проводят механохимические реакции. 

Дрекслер в [1] приводит сравнение механосинтеза и обычного синтеза в растворе:

Для проведения механохимических реакций в молекулярной нанотехнологии необходимо иметь ряд инструментов, способных взаимодействовать с реагентами, а также соблюсти ряд условий.

Так, для проведения механохимических реакций  необходима инертная среда – сверхвысокий вакуум и низкие температуры [2]. Однако Дрекслер в [1] проанализировал точность синтеза алмазоида (111) при комнатной температуре. По данным его расчетов необходимая жесткость реагента и рабочего органа, его удерживающего должна составить около 10 Н/м. Точность позиционирования при этом составляет 1,5 ангстрема. Вероятно, наноразмерные алмазоидные инструменты удовлетворят выдвинутому требованию жесткости, и механосинтез алмазоида может быть реализован при комнатной температуре [3].

Фрайтас и Меркле в [4] исследовали реакцию установки димера углерода (СС) на алмазоидную поверхность (110). Для предложенного ими инструмента точность позиционирования составляет 0,1 ангстрем. В этом случае температура среды должна быть сравнительно низкой – до 300 К.

Рассмотрим инструменты, используемые для  механосинтеза, на примере синтеза алмазоида. На настоящее время один из способов получения алмазов является метод активированной газовой фазы (химический синтез) при давлениях вблизи и ниже атмосферного и температурах от 300 до 1600°С. Активируется реакция методом высокотемпературного химического транспорта системе графит-водород-алмаз. Атомарный водород реагирует с водородом, расположенным на поверхности затравочного алмаза, образуя молекулярный водород Н₂, оставляя активные места для будущей реакции присоединения димера углерода СС (для этого используют молекулы CH₂ и CH₃).

То есть, ели бы мы хотели сделать алмазоид методами молекулярной нанотехнологии с помощью наноробототехники, то необходимо было бы сначала удалить атомы водорода, образовав место для дальнейшей реакции, и, далее, разместить на новом месте димер углерода СС. И так далее, пока не получится заданная алмазоидная структура. Но для проведения таких механосинтетических реакций необходимы специальные инструменты.

Функция инструментов механосинтеза заключаются в том, чтобы позиционировать реагент, механохимически присоединить к точно определенному месту конструируемой молекулярной структуры, и, химически связав с ней реагент (образовав химическую связь), освободить от него инструмент. Для этого реагент должен быть связан с захватом – «базой» настолько, чтобы легко вступить в реакцию, отсоединившись от базы. Возможно много вариантов таких инструментов. Также, инструменты и реагенты должны быть достаточно универсальны, и иметь высокую реакционную способность.

На сегодняшнее время сканирующие электронные микроскопы могут использоваться для создания химических ковалентных связей [1, 3]. при этом полученная структура не будет самопроизвольно деформироваться даже присутствии возле нее одного или двух атомов-реагентов. Эти работы проводились Уилсоном Хо в 1999 году [7]. Он и его коллеги с помощью атомно-силовой (далее – АСМ) и сканирующей туннельной микроскопии смогли образовать ковалентные связи (см. рис. 1).

Рис 1. Механосинтез с помощью АСМ

Однако для создания сложных многоатомных структур потребуются специально спроектированные инструменты. Один из таких инструментов – инструмент отделения водорода (Hydrogen Аbstraction Tool). Он необходим для того, чтобы подготовить реагент к механосинтетической реакции.

Ральф Меркле в [4] предлагает улучшить современный «стихийный» процесс, описанный выше, с помощью механосинтеза. Предложенный им инструмент отделения водорода (далее-ИОВ) основан на свойствах пропинилового радикала С₃Н₃, который характеризуется высоким сродством к водороду (рис. 2).

Рис.2. Инструмент отделения водорода на основе пропинилового радикала Ральфа Меркле

При этом один конец радикала  представляет собой стабильный sp3 углерод. Как утверждает Меркле, можно синтезировать пропиниловый радикал, который теоретически стабилен в вакууме.  Далее, один конец радикала соединяют с «держателем» наноманипулятора, а другой конец представляет собой непосредственно ИОВ.

Эрик Дрекслер в [1] предложил ИОВ на основе ацетиленового радикала (рис. 3). Дрекслер утверждает, что предложенный им инструмент тоже химически стабилен и может быть присоединен к зонду атомно-силового или сканирующего туннельного микроскопа [6]. Как было сказано выше, таким инструментом можно проводить отделение водорода при комнатной температуре.

Рис. 3. Инструмент отделения водорода на основе ацетиленового радикала Эрика Дрекслера

Далее, для размещения на поверхности синтезируемого алмазоида димеров углерода было предложено несколько инструментов. Дрекслер предложил два различных инструмента на основе радикалов, имеющих горизонтальное расположение димера СС (см. рис. 4). Однако, сравнительно недавно, Роберт Фрайтас и Ральф Меркле предложили новые инструменты расположения димера, подкрепив свои исследования математическим моделированием [4].

Предложенный исследователями инструмент DCB6-Si состоит из двух молекул адамантана (C₁₀H₁₆), соединенных с димером СС при помощи атомов кремния. Полученный инструмент назвали би-силадамантаном. Исследователи уточнили, что это только сам «рабочий инструмент», без базы для держателя инструмента. Но, как можно увидеть, к молекуле сравнительно просто можно добавить держатель. Синтезирование подобной структуры современной химией представляет определенные трудности, поэтому, вероятно, ее будут конструировать с помощью АСМ-механосинтеза или подобных технологий. При этом такой инструмент также можно прикрепить к зонду АСМ.

Результаты математического моделирования механосинтеза алмазоида можно увидеть на видеоролике, который находится здесь (6 мб MPEG): http://www.nano-hive.org/diamond-ms.mpg. Для того, чтобы полностью разобраться с тем, как работают инструменты, советую посмотреть ролик. Два инструмента ИОВ отделяют поочередно атомы водорода, затем размещается димер углерода СС. Все это происходит за 33 пикосекунды. Ролик смоделирован на симуляторе Nano-Hive 1.0, который использует реальную физику наномира. Исходники и сам симулятор можно скачать здесь: http://www.nano-hive.org/download.shtml. Для работы с симулятором необходимо знать язык NanoML. При скачивании полного пакета симулятора документация и базовые модели прилагаются.

Отделение водорода

Размещение димера углерода

Конец цикла
Рис. 6. Процесс механосинтеза алмазоида – кадры из ролика

Рис. 7. Наноманипулятор «двойной трипод» на основе измененной платформы Стюарта

Рис.8. Его молекулярная модель

Конечно, такие устройства будут использоваться в автоматизированном механосинтезе, молекулярных конвейерах и нанофабриках. Но пока механосинтез ограничивается сканирующими зондовыми и атомно-силовыми микроскопами. Предложенный сценарий механосинтеза алмазоидной поверхности показывает, что это возможно в принципе. Также благодаря этому исследователи определились с инструментами механосинтеза. Осталось синтезировать их, построить грубые наноманипуляторы для производства первых этактичных структур, которые, впоследствии, помогут при создании автоматизированных наноманипуляторов, фабрикаторов и ассемблеров.

Свидиненко Юрий, аналитик Nanotechnology News Network.

Ссылки:

1. Drexler, K. Eric «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and computation» (1992);

2. Ralph C. Merkle «Molecular Manufacturing: Adding Positional Control to Chemical Synthesis», http://www.zyvex.com/…article.html#…;

3. CRN study: «Is mechanically guided chemistry a viable basis for a manufacturing technology?», http://www.crnano.org/study1.htm;

4. Ralph C. Merkle, and Robert A. Freitas, Jr. «Theoretical Analysis of a Carbon-Carbon Dimer Placement Tool for Diamond Mechanosynthesis», 2002

5. Ralph C. Merkle «A New Family of Six Degree Of Freedom Positional Devices», 1994, http://www.zyvex.com/…ch/6dof.html

6. Charles B. Musgrave, «Theoretical studies of a hydrogen abstraction tool for nanotechnology», 1991, http://www.zyvex.com/…s/paper.html

7. Wilson Ho «Atomically Resolved and Single Molecule Imaging, Spectroscopy, Dynamics, and Chemistry.», 1999, http://www.physics.uci.edu/…tm-iets.html

2007, Nanotechnology News Network

 http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/podrobnee-o-mekhanosinteze