Es ist eine kleine, kleine, kleine, kleine Welt

Die Eigenschaften von Materialien hängen davon ab, wie ihre Atome angeordnet sind. Ordne die Atome in der Kohle um und du erhältst Diamanten. Ordne die Atome in Boden, Wasser und Luft neu an, und du hast Gras. Und seit die Menschen zum ersten Mal Steinwerkzeuge und Feuersteinmesser hergestellt haben, manipulieren wir Atome in großen, donnernden statistischen Herden, indem wir Materialien gießen, mahlen, schleifen und splittern. Wir ordnen zum Beispiel die Atome im Sand um, fügen eine Prise Verunreinigungen hinzu und produzieren Computerchips. Wir sind darin immer besser geworden und können mehr Dinge zu geringeren Kosten und mit größerer Präzision als je zuvor herstellen.

Selbst bei unserer genauesten Arbeit bewegen wir Atome in riesigen Haufen und unordentlichen Haufen – Millionen oder Milliarden von ihnen auf einmal. Theoretische Analysen machen jedoch klar, dass wir in der Lage sein sollten, Atome und Moleküle einzeln neu anzuordnen – mit jedem Atom genau an der richtigen Stelle – ähnlich wie wir Legosteine ​​​​anordnen könnten, um ein Modellgebäude oder eine einfache Maschine zu bauen. Diese Technologie, die oft als Nanotechnologie oder molekulare Fertigung bezeichnet wird, wird es uns ermöglichen, die meisten Produkte leichter, stärker, intelligenter, billiger, sauberer und präziser zu machen.

Das Vermächtnis der Edison-Archive freischalten

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Februar 1997



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Die Folgen wären groß. Wir könnten für den Anfang die Revolution der Computerhardware bis hin zu Schaltern und Drähten in molekularer Größe fortsetzen. Die Fähigkeit, Dinge Molekül für Molekül aufzubauen, würde es uns auch ermöglichen, eine neue Klasse von Strukturmaterialien zu entwickeln, die mehr als 50-mal stärker wäre als Stahl des gleichen Gewichts: Ein Cadillac könnte 100 Pfund wiegen; ein Full-Size-Sofa konnte mit einer Hand hochgehoben werden. Die Fähigkeit, Molekül für Molekül aufzubauen, könnte uns auch chirurgische Instrumente von solcher Präzision und Geschicklichkeit geben, dass sie auf die Zellen und sogar Moleküle, aus denen wir bestehen, operieren könnten.

Die Fähigkeit, solche Produkte herzustellen, liegt wahrscheinlich noch einige Jahrzehnte entfernt. Aber theoretische und rechnergestützte Modelle geben Gewissheit, dass die für die Aufgabe benötigten molekularen Fertigungssysteme möglich sind – dass sie bestehende physikalische Gesetze nicht verletzen. Diese Modelle geben uns auch ein Gefühl dafür, wie ein molekulares Fertigungssystem aussehen könnte. Dies ist eine wichtige Grundlage: Immerhin war die Grundidee eines elektrischen Relais in den 1820er Jahren bekannt, und das Konzept eines mechanischen Computers, der nach einem gespeicherten Befehlssatz – einem Programm – arbeitete, wurde einige Jahre später verstanden. Aber Computer mit Relais wurden erst viel später gebaut, weil es kein gutes theoretisches Verständnis für Berechnungen gab. Heute entwickeln Wissenschaftler zahlreiche Werkzeuge und Techniken, die benötigt werden, um die Nanotechnologie von Computermodellen in die Realität umzusetzen. Während die meisten im Bereich der Theorie verbleiben, scheint es kein grundlegendes Hindernis für ihre Entwicklung zu geben.

Zivilisation auf dem Mond

Eine Nano-Werkzeugkiste

Stellen Sie sich vor, Sie legen einige Kabel, Transistoren und andere elektronische Komponenten in eine Tasche, schütteln sie und ziehen ein fertig montiertes und betriebsbereites Radio heraus. Obwohl dies phantasievoll klingt, ist diese bemerkenswerte Selbstorganisation im Wesentlichen das, was Chemiker tun, wenn sie Materialien synthetisieren. Durch Mischen von Lösungen in einem Becherglas lässt ein Chemiker die intrinsischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte bestimmter Moleküle und Atome übernehmen. Eine Kunst und Wissenschaft hat sich entwickelt, um Bedingungen zu schaffen, damit sich Atome spontan zu bestimmten molekularen Strukturen zusammenfügen.

Ebenso sind wir umgeben und inspiriert von Produkten, die wunderbar komplex und doch sehr preiswert sind. Kartoffeln zum Beispiel bestehen aus Zehntausenden von Genen und Proteinen und einer komplizierten molekularen Maschinerie; aber wir halten nichts davon, dieses Wunder der Biologie zu essen, das mit etwas Butter püriert wird. Kartoffeln kosten zusammen mit vielen anderen landwirtschaftlichen Produkten weniger als einen Dollar pro Pfund. Der Hauptgrund: Mit etwas Erde, Wasser, Luft und Sonnenlicht kann eine Kartoffel mehr Kartoffeln produzieren. Wenn wir ein programmierbares Allzweck-Fertigungsgerät herstellen könnten, das in der Lage wäre, Kopien von sich selbst herzustellen – was Nanotechnologie-Forscher einen Assembler nennen –, dann könnten die Herstellungskosten sowohl für das Gerät als auch für alles, was es hergestellt hat, niedrig gehalten werden.

Ein Grundprinzip der Selbstorganisation ist die selektive Klebrigkeit. Wenn zwei Molekülteile komplementäre Formen und Ladungsmuster haben – d. h. einer hat eine Vertiefung, wo der andere eine Erhebung hat, oder einer hat eine positive Ladung, wo der andere eine negative Ladung hat – dann neigen sie dazu, auf eine bestimmte Weise zusammenzukleben einen größeren Teil zu bilden. Dieser größere Teil kann sich in gleicher Weise mit anderen Teilen verbinden, so dass aus molekularen Stücken ein komplexes Ganzes entsteht.

Die Selbstmontage allein reicht jedoch nicht aus, um die breite Produktpalette herzustellen, die die Nanotechnologie verspricht. Wenn die Teile zum Beispiel wahllos klebrig sind, würde das Zusammenrühren zu unordentlichen Klecksen anstelle von präzisen molekularen Maschinen führen. Wir können dieses Problem lösen, indem wir die molekularen Teile in der richtigen Position und Ausrichtung halten, sodass sie sich bei Berührung so zusammenfügen, wie wir es wollen. Auf makroskopischer Ebene geht die Idee, dass wir Teile in unseren Händen halten und sie durch richtige Positionierung zueinander zusammenbauen können, auf die Vorgeschichte zurück: Wir feiern uns selbst als die werkzeugnutzende Spezies. Aber die Idee, Moleküle zu halten und zu positionieren, ist neu und fast schockierend. Nanoskalige Äquivalente von Armen und Händen müssen entwickelt werden.

Aktuelle Vorschläge für Positionsgeräte im molekularen Maßstab ähneln Robotergeräten normaler Größe, sind aber etwa ein Zehnmillionstel so groß. Ein molekularer Roboterarm könnte systematisch hin und her schwenken, Atome hinzufügen und von einer Oberfläche entfernen, um jede beliebige Struktur aufzubauen, die ihm der Computer vorgegeben hat. Ein solcher Arm, der aus einigen Millionen Atomen besteht, könnte 100 Nanometer lang und 30 Nanometer breit sein. Obwohl es ungefähr 100 bewegliche Teile hätte, würde es keine Schmiermittel verwenden – in dieser Größenordnung ist ein Schmiermittelmolekül eher wie ein Stück Sand. Solche Ultraminiaturwerkzeuge sollten in der Lage sein, ihre Spitzen bis auf einen Bruchteil eines Atomdurchmessers zu positionieren. Billionen solcher Geräte würden kaum mehr als ein paar Kubikmillimeter (ein Fleck etwas größer als ein Stecknadelkopf) einnehmen.

Molekulare Arme würden von etwas erschüttert, worüber wir uns auf makroskopischer Ebene keine Sorgen machen: thermisches Rauschen. Atome und Moleküle sind in einem ständigen Zustand des Wackelns und Wackelns; je höher die Temperatur, desto heftiger die Bewegung. Um seine Position zu halten, muss ein nanoskaliger Arm daher extrem steif sein.

Das steifste Material ist Diamant. Die Stärke und Leichtigkeit eines Materials hängt von der Anzahl und Stärke der Bindungen ab, die seine Atome zusammenhalten, und von der Leichtigkeit der Atome. Das Element, das beide Kriterien am besten erfüllt, ist Kohlenstoff, der leicht ist und stärkere Bindungen als jedes andere Atom eingeht. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist besonders stark; jedes Kohlenstoffatom kann an vier benachbarte Atome binden. Im Diamanten erzeugt dann ein dichtes Netzwerk starker Bindungen ein starkes, leichtes und steifes Material. In der Tat, so wie wir die Steinzeit, die Bronzezeit und die Stahlzeit nach den Materialien benannt haben, die der Mensch herstellen könnte, könnten wir die neue technologische Epoche, in der wir eintreten, das Diamantzeitalter nennen.

Wie kann ein Diamantgerät dieser Größenordnung hergestellt werden? Eine Antwort ergibt sich aus der Betrachtung, wie wir heute Diamanten anbauen. In einem Prozess, der ein wenig an Spritzlackierung erinnert, bauen wir Schicht für Schicht Diamant auf, indem wir eine Oberfläche in eine Wolke aus reaktiven Wasserstoffatomen und Kohlenwasserstoffmolekülen halten. Wenn diese Moleküle auf die Oberfläche stoßen, verändern sie diese, indem sie Atome hinzufügen, entfernen oder neu anordnen. Durch sorgfältige Kontrolle des Drucks, der Temperatur und der genauen Zusammensetzung des Gases in diesem Prozess, der als chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bezeichnet wird, können wir Bedingungen schaffen, die das Wachstum von Diamant auf der Oberfläche begünstigen.

Das willkürliche Beschuss einer Oberfläche mit reaktiven Molekülen bietet jedoch keine genaue Kontrolle über den Wachstumsprozess; Es ist vergleichbar mit dem Versuch, mit einem Sandstrahler eine Armbanduhr zu bauen. Wir wollen, dass die chemischen Reaktionen genau an den von uns vorgegebenen Stellen auf der Oberfläche ablaufen. Ein zweites Problem besteht darin, die Diamantoberfläche an den speziellen Stellen, an denen wir ein weiteres Atom oder Molekül hinzufügen möchten, reaktiv zu machen. Eine Diamantoberfläche ist normalerweise mit einer Schicht aus Wasserstoffatomen bedeckt. Ohne diese Schicht wäre die rohe Diamantoberfläche hochreaktiv, da sie mit den ungenutzten (oder baumelnden) Bindungen der Kohlenstoffatome übersät wäre. Während die Hydrierung unerwünschte Reaktionen verhindert, macht sie auch die gesamte Oberfläche inert, was es schwierig macht, Kohlenstoff (oder etwas anderes) hinzuzufügen.

Um dieses Problem zu lösen, könnten wir eine Reihe von Werkzeugen im molekularen Maßstab verwenden, die in einer Reihe von Schritten die Oberfläche vorbereiten und Strukturen auf der Diamantschicht erzeugen, Atom für Atom und Molekül für Molekül. Der erste Schritt in diesem Prozess besteht darin, ein Wasserstoffatom von einer bestimmten Stelle auf der Diamantoberfläche zu entfernen, wodurch eine reaktive baumelnde Bindung zurückbleibt. Dies kann mit einem Wasserstoffabstraktionswerkzeug erfolgen – einer molekularen Struktur, die an einem Ende eine hohe chemische Affinität zu Wasserstoff aufweist, aber an anderer Stelle inert ist. Der reaktionsträge Bereich des Werkzeugs dient dabei als eine Art Griff. Das Werkzeug würde von einem molekularen Positionsgerät gehalten, wie dem oben diskutierten molekularen Roboterarm, und direkt über bestimmte Wasserstoffatome auf der Oberfläche bewegt, die wir abstrahieren möchten.

Dadurch entsteht ein Henne-Ei-Problem: Wir brauchen einen molekularen Roboterarm, um einen weiteren molekularen Roboterarm zu bauen. Um dieses Problem zu lösen, müssen wir irgendwann einen molekularen Roboterarm mit etwas anderem als einem molekularen Roboterarm bauen. Wir könnten zum Beispiel ein makroskopisches Positionsgerät – wie eine verbesserte Version eines bestehenden Rasterkraftmikroskops – verwenden, um unseren ersten molekularen Roboterarm herzustellen. Alternativ könnten wir eine vereinfachte molekulare Positionsbestimmungsvorrichtung selbst zusammenbauen. Diese ersten groben Positionsgeräte könnten dann verwendet werden, um bessere zu machen.

Ein geeignetes Molekül für ein Wasserstoffabstraktionswerkzeug ist das Acetylenradikal – zwei Kohlenstoffatome sind dreifach miteinander verbunden. Ein Kohlenstoff wäre der Griff und würde mit einem nanoskaligen Positionierungswerkzeug verbunden sein. Der andere Kohlenstoff hat eine baumelnde Bindung, wo ein Wasserstoffatom in gewöhnlichem Acetylen wäre. Die Umgebung des Werkzeugs wäre inert (typische Vorschläge beinhalten die Verwendung von entweder Vakuum oder einem Edelgas wie Krypton oder Xenon).

Sobald dieses Werkzeug durch selektives Entfernen von Wasserstoffatomen von der Diamantoberfläche einen reaktiven Fleck erzeugt hat, wird es möglich, Kohlenstoffatome an den gewünschten Stellen abzuscheiden. Auf diese Weise entsteht Molekül für Molekül nach Plan eine Diamantstruktur. Ein Vorschlag für diese Funktion ist das Dimer-Depositions-Tool. Ein Dimer ist ein Molekül, das aus zwei gleichen Atomen oder aneinander haftenden Molekülen besteht. In diesem Fall wäre das Dimer C2-zwei Kohlenstoffatome, die durch eine Dreifachbindung verbunden sind. Im Abscheidungswerkzeug wäre jeder Kohlenstoff im Dimer durch Einfachbindungen mit Sauerstoffatomen mit einem größeren Molekül verbunden.

Das Wasserstoffabstraktionswerkzeug und das Dimerabscheidungswerkzeug würden zusammenarbeiten (siehe Abbildung oben). Zuerst würde das Abstraktionswerkzeug zwei benachbarte Wasserstoffatome von der Diamantoberfläche entfernen. Die beiden baumelnden Bindungen würden mit den Enden des Kohlenstoffdimers reagieren. Diese Reaktion würde die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen aufbrechen und dann das Kohlenstoffdimer vom Werkzeug auf die Oberfläche übertragen. Da die während der Reaktion freigesetzte Energie viel größer ist als das thermische Rauschen, schnappt das Dimer an der Oberfläche und bleibt dort.

Ein drittes vorgeschlagenes Werkzeug zur Herstellung von Nanostrukturen ist das Carben-Insertionswerkzeug. Carbene – hochreaktive Kohlenstoffatome mit zwei baumelnden Bindungen – reagieren mit vielen Molekülstrukturen (und fügen ein Kohlenstoffatom hinzu). Carbene inserieren leicht in Doppel- oder Dreifachbindungen, wie die Bindung im oben beschriebenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dimer. Ein ortskontrolliertes Carben könnte fast überall auf einem wachsenden molekularen Werkstück angebracht werden, was zu praktisch jeder gewünschten Form führt.

Tik Tok Beauty-Modus funktioniert nicht

Ein vierter Vorschlag betrifft ein Wasserstoffabscheidungswerkzeug. Wenn das Wasserstoffabstraktionswerkzeug eine inerte Struktur reaktiv machen soll, indem es eine baumelnde Bindung erzeugt, würde das Wasserstoffabscheidungswerkzeug das Gegenteil tun: eine reaktive Struktur inert machen, indem baumelnde Bindungen beendet werden. Ein solches Werkzeug würde es uns ermöglichen, reaktive Oberflächen zu stabilisieren und zu verhindern, dass sich die Oberflächenatome auf unerwartete und unerwünschte Weise neu anordnen. Die wichtigste Voraussetzung für ein solches Werkzeug ist, dass es ein schwach gebundenes Wasserstoffatom enthält. Während viele Moleküle dieser Beschreibung entsprechen, ist die Bindung zwischen Wasserstoff und Zinn besonders schwach; daher sollte ein Werkzeug zur Wasserstoffabscheidung auf Zinnbasis effektiv sein.

Diese vier molekularen Werkzeuge sollten es uns ermöglichen, eine breite Palette steifer Strukturen herzustellen – aber nur solche, die aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Dies ist ein viel weniger ehrgeiziges Ziel als der Versuch, alle 100 Elemente des Periodensystems zu verwenden. Aber im Gegenzug dafür, dass wir uns auf diese begrenztere Klasse von Strukturen beschränken, machen wir es viel einfacher, die herstellbaren und die zu ihrer Herstellung erforderlichen synthetischen Reaktionen zu analysieren. Auf jeden Fall kann dieser engere Vorschlag leichter und gründlicher untersucht werden als die vollständige Nanotechnologie. Und Diamant und seine bruchsicheren Varianten fallen in diese Kategorie, ebenso wie die zu Kugeln, Röhren und anderen Formen gerollten Fulleren-Schichten aus Kohlenstoffatomen. Aus diesen Materialien können alle Teile bestehen, die für grundlegende mechanische Geräte wie Streben, Lager, Zahnräder und Roboterarme benötigt werden.

Letztendlich möchten wir andere Elemente hinzufügen - zum Beispiel um elektronische Diamantgeräte herzustellen oder der Innenfläche eines Lagers etwas Stickstoff hinzuzufügen, um die Belastung zu verringern (die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung ist länger als die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung). . Solche Strukturen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff in Kombination mit Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Silizium, Phosphor, Schwefel oder Chlor bestehen, bilden die sogenannte Klasse der diamantartigen Materialien.

Das Diamantenzeitalter

Naturdiamant ist teuer, wir können ihn nicht in den gewünschten Formen herstellen und er zerbricht. Nanotechnologie wird es uns ermöglichen, bruchsicheren Diamanten (mit einer Struktur, die Diamantfasern ähneln könnte) in genau den von uns gewünschten Formen kostengünstig herzustellen. Auf diese Weise könnten wir eine Boeing 747 bauen, die ein Fünfzigstel der heutigen Versionen wiegen würde, ohne an Stärke zu verlieren. Der Nutzen für die Raumfahrt wäre ebenfalls dramatisch. Das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und die Kosten der Komponenten sind entscheidend für die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Raumschiffen: Die Nanotechnologie könnte beide Parameter um etwa zwei Größenordnungen verbessern.

Die Nanotechnologie könnte auch die Wirtschaftlichkeit der Energieerzeugung radikal verändern. Die Sonne könnte um Größenordnungen mehr Energie liefern, als die Menschen heute verbrauchen – und dies sauberer und kostengünstiger als fossile Brennstoffe und Kernreaktoren –, wenn wir nur kostengünstige Solarzellen und Batterien herstellen könnten. Wir wissen bereits, wie man effiziente Solarzellen herstellt: Nanotechnologie könnte ihre Kosten senken und Solarstrom endlich wirtschaftlich machen. Bei dieser Anwendung brauchen wir keine neuen oder technisch überlegenen Geräte herzustellen; Allein durch die kostengünstige Herstellung dessen, was wir bereits teuer zu machen wissen, würden wir Solarstrom in den Mainstream bringen.

Die Herstellung von Computerchips könnte einen tiefgreifenden Wandel erfahren. Es scheint grundlegende Grenzen zu geben, wie viel weiter wir die Lithographie verbessern können, den Prozess, mit dem heute Chips hergestellt werden. In der Lithographie (wörtlich: Steinschrift) zeichnen wir mit Methoden, die der Fotografie entlehnt sind, feine Linien auf einen Siliziumwafer. Ein lichtempfindlicher Film, ein sogenannter Resist, wird über den Siliziumwafer verteilt. Der Resist wird einem komplexen Hell-Dunkel-Muster ausgesetzt, wie ein Negativ in einer Kamera, und entwickelt. Durch Wiederholen dieses Vorgangs kann ein komplizierter Satz ineinandergreifender Muster erstellt werden, der die komplexen Logikelemente eines Computerchips definiert.

Aber Atome anzuordnen, indem man Photonen (oder andere Teilchen) aus der Ferne auf eine Oberfläche wirft, scheint nicht der beste Ansatz zu sein, besonders wenn wir drei statt nur zwei Dimensionen verwenden wollen; Stellen Sie sich vor, Sie bauen ein Auto, indem Sie Werkzeuge aus mehr als einer Meile Entfernung darauf werfen. Wenn die Verbesserung der Computerhardware im aktuellen Tempo fortgesetzt werden soll, müssen wir also in etwa einem Jahrzehnt über die Lithographie hinaus zu einer neuen Fertigungstechnologie übergehen. Es wurden bereits Konstruktionen für Computerlogik-Elemente vorgeschlagen, die aus weniger als 1.000 Atomen bestehen – aber jedes Atom in einem so kleinen Gerät muss genau an der richtigen Stelle sein. Und das Versprühen von Chemikalien kann die Atome einfach nicht mit der erforderlichen Präzision anordnen.

Glücklicherweise ist Diamant ein ausgezeichnetes elektronisches Material. Es übertrifft Silizium in mehreren wichtigen Punkten. Zum einen bewegen sich Elektronen in Diamant schneller als in Silizium. Diamant kann auch bei hohen Temperaturen besser arbeiten als Silizium. Dies ist wichtig, da Chips immer schneller werden und ihre Leistung durch die Notwendigkeit begrenzt wird, die Wärme abzuleiten, die sich in der Schaltung aufbaut.

Diamond hat diesen Vorteil aus zwei Gründen. Erstens hat Diamant eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium, wodurch Wärme schneller aus einem Diamanttransistor abgeleitet werden kann. Zweitens hat Diamant eine größere Bandlücke als Silizium – 5,5 Elektronenvolt, im Gegensatz zu 1,1 Elektronenvolt in Silizium. Die Bandlücke ist die minimale Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron aus seinem relativ unbeweglichen Zustand in das Leitungsband des Halbleiters zu bringen, wo sich das Elektron unter dem Einfluss einer Spannung frei bewegt. Mit steigender Temperatur gewinnen mehr Elektronen die Energie, die benötigt wird, um in das Leitungsband zu springen. Wenn zu viele Elektronen dies tun, verwandelt sich das Gerät von einem Halbleiter in einen Leiter; Der Transistor hat einen Kurzschluss und funktioniert nicht mehr. Die höhere Bandlücke von Diamond bedeutet, dass es bei einer höheren Temperatur kurzgeschlossen wird.

Mit Nanotechnologie sollten wir in der Lage sein, Massenspeichergeräte zu bauen, die mehr als 100 Milliarden Milliarden Bytes in einem Volumen von der Größe eines Zuckerwürfels speichern können, und massiv parallele Computer der gleichen Größe, die eine Milliarde Milliarden Anweisungen pro Sekunde liefern können-a Milliarden Mal mehr als die heutigen Desktop-Computer.

Die Verfügbarkeit von Geräten im Nanomaßstab könnte auch die Chirurgie radikal neu definieren. Heutzutage besteht ein grundlegendes Missverhältnis zwischen dem, was zur Behandlung von Verletzungen erforderlich ist, und den Fähigkeiten unserer Instrumente. Die zelluläre und molekulare Maschinerie in unserem Gewebe ist klein und präzise, ​​doch die heutigen Skalpelle sind aus der Sicht einer Zelle grobe Sensen, die durch Gewebe reißen und tote und verstümmelte Zellen hinterlassen. Der einzige Grund, warum moderne Chirurgie funktioniert, ist die bemerkenswerte Fähigkeit der Zellen, sich neu zu gruppieren, ihre Toten zu begraben und über der Wunde zu heilen.

Chirurgische Instrumente, die sowohl in ihrer Größe als auch in ihrer Präzision molekular sind, sollten es uns ermöglichen, die Verletzungen, die Krankheiten verursachen, auf molekularer und zellulärer Ebene direkt zu heilen. Ein molekularer Roboterarm mit einer Länge von weniger als 100 Nanometern würde beispielsweise problemlos in das Kreislaufsystem passen (ein einzelnes rotes Blutkörperchen hat einen Durchmesser von etwa 8.000 Nanometern) und könnte sich sogar in einzelne Zellen quetschen.

Eine Anwendung wäre die Krebstherapie. Wir könnten ein kleines Gerät entwickeln, das Krebszellen identifizieren und abtöten kann. Das Gerät, das einen Computer im Nanomaßstab und mehrere Bindungsstellen enthält, die für bestimmte Moleküle geformt sind, würde frei im ganzen Körper zirkulieren und regelmäßig seine Umgebung abtasten, indem es bestimmt, ob seine Bindungsstellen besetzt waren. Je häufiger eine Stelle besetzt war, desto höher ist die Konzentration des Moleküls, für das diese Stelle entworfen wurde. Ein Nanogerät mit einem Dutzend unterschiedlicher Bindungsstellen könnte auf diese Weise die Konzentrationen von einem Dutzend unterschiedlicher Molekülarten überwachen, die normalerweise im Körper vorkommen, deren Konzentrationen sich jedoch bei Krebs verändern. Der Computer könnte feststellen, ob das Konzentrationsprofil einem vorprogrammierten Profil entspricht, und würde, wenn ein krebsartiges Profil gefunden wurde, ein Gift freisetzen, das die Krebszellen selektiv tötet.

Jedes Gerät könnte einen nanoskaligen Drucksensor enthalten, der es dem Krebskiller ermöglichen würde, Anweisungen durch Ultraschallsignale im Megahertz-Bereich zu empfangen. Durch das Abhören mehrerer makroskopischer akustischer Signalquellen könnte das Gerät seine Position im Körper bestimmen, ähnlich wie ein Funkempfänger auf der Erde die Übertragungen von mehreren Satelliten verwenden kann, um seine Position zu bestimmen. Die Kenntnis seiner eigenen Position im Körper würde dem Gerät helfen zu entscheiden, ob es sich in der Nähe des Krebses befand. In Ermangelung von Standortinformationen könnte es manchmal fälschlicherweise Gift in eine Zelle freisetzen, die eine Krebszelle zu sein schien. Wenn das Ziel beispielsweise darin bestand, einen Dickdarmkrebs abzutöten, würde ein Krebskiller im großen Zeh sein Gift nicht freisetzen, egal was seine Krebssensoren ihm sagen.

Wie kommen wir dort hin?

Die hier beschriebenen wundersamen Fähigkeiten sind größtenteils theoretisch. Wie können sie wahr werden? Wie können wir mit hochreaktiven, positionsgesteuerten Werkzeugen ein universelles, programmierbares Fertigungssystem aufbauen, mit dem die meisten diamantförmigen Strukturen kostengünstig hergestellt werden können?

Das Ausmaß dieser Herausforderung sollte nicht unterschätzt werden. Gegenwärtige Vorschläge für einen Assembler, der diamantartige Strukturen herstellen kann, umfassen Hunderte von Millionen oder Milliarden von Atomen – wobei kein Atom fehl am Platz ist. Selbst ein einfacher Roboterarm, der vielleicht nur aus wenigen Millionen Atomen besteht, müsste von anderen Komponenten begleitet werden. Die Roboterarme würden beispielsweise in einem Vakuum arbeiten, was die Notwendigkeit einer Hülle um den Arm vorschreibt, um dieses Vakuum aufrechtzuerhalten. Andere zusätzliche Geräte, die benötigt werden, umfassen akustische Empfänger, Computer, druckbetätigte Ratschen und Bindungsstellen. Wenn jeder Vorgang, wie die Wasserstoffabstraktion oder die Carbenabscheidung, typischerweise ein oder wenige Atome verarbeitet, muss die Fehlerrate weniger als eins zu einer Milliarde betragen.

Obwohl eine solche Perfektion theoretisch erreichbar ist, ist die heutige Technologie dieser Aufgabe nicht gewachsen. Ein von Chemikern als sehr gut eingeschätztes chemisches Syntheseverfahren setzt 99 Prozent der Reaktionspartner in das gewünschte Produkt um. Diese 99-Prozent-Ausbeute stellt jedoch eine Fehlerrate von eins zu 100 dar, was zehn Millionen Mal weniger perfekt ist, als wir uns von einer ausgereiften Nanotechnologie wünschen. Die Synthese von Proteinen aus Aminosäuren durch Ribosomen hat eine Fehlerrate von vielleicht einer von 10.000. DNA, indem sie sich auf eine umfassende Fehlererkennung und -korrektur zusammen mit eingebauter Redundanz (das Molekül hat zwei komplementäre Stränge) verlässt, erreicht bei der Selbstreplikation eine Fehlerrate von ungefähr einer Base zu einer Milliarde.

Keine vorhandene Technologie kann dieses Leistungsniveau erreichen. Eine Technik, mit der einzelne Atome positioniert werden können, ist beispielsweise das Rastersondenmikroskop (SPM), bei dem eine scharfe Spitze auf die Oberfläche einer Probe geführt wird, sodass ein Signal erzeugt wird, mit dem wir die zu untersuchende Oberfläche abbilden können. wie ein Blinder, der mit einem Stock tippt, um den Weg vor sich zu spüren. Einige SPMs drücken buchstäblich auf die Oberfläche und bemerken, wie stark die Oberfläche zurückdrückt. Andere schließen Oberfläche und Sonde an eine Spannungsquelle an und messen den Stromfluss, wenn sich die Sonde der Oberfläche nähert. Eine Vielzahl anderer Wechselwirkungen zwischen Sonde und Oberfläche können gemessen werden und werden verwendet, um verschiedene Arten von SPMs herzustellen.

Das SPM kann nicht nur eine Oberfläche abbilden, sondern zum Beispiel einzelne Atome und Moleküle in einem gewünschten Muster ablagern. In einem vielbeachteten Fall ordneten Wissenschaftler 35 Xenon-Atome auf einer Nickeloberfläche an, um die Buchstaben ihres Arbeitgebers zu bilden: IBM. Aber diese SPM-Manipulation erforderte eine Kühlung auf 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt – nicht gerade ideale Bedingungen für die Massenfertigung. In jüngerer Zeit haben IBM-Wissenschaftler Moleküle bei Raumtemperatur präzise auf einer Kupferoberfläche angeordnet. SPMs weisen jedoch Fehlerraten auf, die hoch genug sind, dass sie relativ ausgeklügelte Fehlererkennungs- und -korrekturverfahren verwenden müssen. Und obwohl sich diese Systeme um einige Atome oder Moleküle bewegen können, können sie keine großen Mengen an präzise strukturierten Diamanten herstellen, wie sie zum Bau eines Autos oder eines Flugzeugs verwendet werden könnten.

Schließlich sind die heutigen SPMs viel zu langsam. In der Natur brauchen Ribosomen Dutzende von Millisekunden, um einem wachsenden Protein eine einzelne Aminosäure hinzuzufügen. Aber wenn ein Assembler in etwa einem Tag eine Kopie von sich selbst herstellen soll, und das mit einigen hundert Millionen Arbeitsgängen, dann muss jeder Arbeitsgang in Bruchteilen einer Millisekunde erfolgen. Ein SPM hingegen braucht Stunden, um ein paar Atome oder Moleküle anzuordnen. Anstatt zu versuchen, all diese Probleme in einem einzigen großen Sprung zu lösen, könnten wir sie schrittweise angehen, indem wir eine Reihe von Zwischensystemen entwickeln. Ein Ansatz wäre beispielsweise, das Erfordernis zu eliminieren, dass der Assembler aus diamantförmigen Strukturen besteht. Diamondoid ist, wie wir gesehen haben, aufgrund seiner Festigkeit, Steifigkeit und elektrischen Eigenschaften attraktiv. Aber ein Zwischensystem muss nur in der Lage sein, ein fortschrittlicheres System und vielleicht Produkte herzustellen, die im Vergleich zu heutigen Produkten beeindruckend sind. Es muss nicht selbst diamantoid sein.

Dies legt nahe, was man als bausteinbasierte Nanotechnologie bezeichnen könnte. Anstatt Diamanten zu bauen, bauen wir ein anderes Material aus relativ großen molekularen Einheiten, die aus Dutzenden, Hunderten oder sogar Tausenden von Atomen bestehen. Solche großen Bausteine ​​reduzieren die Anzahl der Montageschritte, so dass weniger Arbeitsgänge der Einheit erforderlich sind und sie nicht so zuverlässig sein müssen. Lösliche Bausteine, die nur an anderen Bausteinen haften, nicht am Lösungsmittel oder in geringen Konzentrationen an Verunreinigungen, machen Arbeiten im Vakuum überflüssig.

Bei der Auswahl solcher Bausteine ​​haben wir viele Möglichkeiten: eines der vielen Moleküle, die Chemiker mit den gewünschten Eigenschaften synthetisiert haben oder vernünftigerweise synthetisieren könnten. Jeder molekulare Baustein sollte mindestens drei Stellen haben, an denen er sich mit anderen Bausteinen verbinden kann. Einheiten mit zwei Bindungsstellen deuten auf Polymere hin, die in biologischen Systemen wie DNA, RNA und Proteinen allgegenwärtig sind. Bausteine ​​mit drei Klebestellen erleichtern den Entwurf steifer dreidimensionaler Strukturen erheblich.

Solche Bausteine ​​könnten durch eine Vielzahl von gut verstandenen chemischen Reaktionen miteinander verknüpft werden. Eine besonders attraktive Möglichkeit ist die Diels-Alder-Reaktion, bei der ein Dien (ein Kohlenwasserstoff mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung) mit einem bestimmten Molekül zur Reaktion gebracht werden kann.

Antwort auf die Zweifler

die vierte industrielle revolution

Trotz der Plausibilität der Entwicklung der Nanotechnologie gibt es Skeptiker. Ihre Kritik ist jedoch schlecht informiert. So wurde beispielsweise der Chemiker David Jones, ein Kolumnist von Nature, in Scientific American zitiert, dass die Konstruktion eines molekularen Assemblers zum Scheitern verurteilt sei, weil einzelne Atome erstaunlich beweglich und reaktiv seien. Sie verbinden sich sofort mit Umgebungsluft, Wasser, einander, der Flüssigkeit, die die Monteure unterstützt, oder den Monteuren selbst.

Vorschläge, die reaktive molekulare Werkzeuge beinhalten, spezifizieren jedoch, dass die Umgebung inert sein sollte – entweder Vakuum oder ein Edelgas; es gäbe keine Umgebungsluft, mit der man reagieren könnte. Und da die molekularen Werkzeuge positionsgesteuert sind, reagieren sie nicht miteinander oder mit dem Assembler selbst – aus dem gleichen Grund, aus dem ein heißer Lötkolben nicht mit der Haut der Person reagiert, die ihn führt.

Ich werde häufig gefragt, wie lange es dauern wird, bis wir molekulare Computer herstellen können, bis billige Photovoltaikzellen billigen, sauberen Solarstrom liefern, bevor ultraleichte Raumfahrzeuge die Kosten der Weltraumforschung drastisch senken. Die wissenschaftlich korrekte Antwort lautet: Ich weiß es nicht. Aber wenn man sich eine Technologie anschaut, die die Nanotechnologie verbessern kann – Computer – gibt es eine Perspektive. Von elektromechanischen Relais über Vakuumröhren bis hin zu Transistoren und integrierten Schaltkreisen haben wir in den letzten 50 Jahren einen stetigen Rückgang der Größe und Kosten von Logikelementen und eine stetige Steigerung ihrer Leistung erlebt. Eine Extrapolation dieser Trends legt nahe, dass die Entwicklung der molekularen Fertigung bis etwa 2010 oder 2020 erforderlich ist, damit die Computerhardware-Revolution im Zeitplan bleibt.

Natürlich ist die Extrapolation vergangener Trends eine philosophisch umstrittene Methode der Technologievorhersage. Obwohl uns kein grundlegendes Naturgesetz daran hindert, die Nanotechnologie nach diesem Zeitplan (oder noch schneller) zu entwickeln, gibt es auch kein Gesetz, das besagt, dass dieser Zeitplan nicht verrutscht. Viel schlimmer jedoch, solche Trends implizieren, dass es einen bestimmten Zeitplan gibt – dass die Nanotechnologie unweigerlich auftauchen wird, unabhängig davon, was wir tun oder nicht tun. Nichts ist weiter von der Wahrheit entfernt. Wie lange es dauert, diese Technologie zu entwickeln, hängt sehr davon ab, was wir tun. Wenn wir es systematisch verfolgen, wird es früher passieren. Wenn wir es ignorieren oder einfach hoffen, dass jemand darüber stolpert, dauert es viel länger. Glücklicherweise können wir durch die gemeinsame Anwendung theoretischer, computergestützter und experimenteller Ansätze das Ziel schneller und zuverlässiger erreichen, als wenn wir nur einen einzelnen Ansatz verwenden. So wie Boeing Flugzeuge in einem Computer entwerfen, bauen und fliegen kann, bevor sie in der realen Welt hergestellt werden, können wir dasselbe für die molekulare Fertigung tun. Wir können die meisten Fehlstarts und Sackgassen schnell eliminieren und uns schnell auf die besten Ansätze konzentrieren.

Wie die erste menschliche Mondlandung, das Manhattan-Projekt oder die Entwicklung des modernen Computers wird das Aufkommen der molekularen Fertigung viele Jahre lang die koordinierte Anstrengung vieler Menschen erfordern. Wie lange wird es dauern? Vieles hängt davon ab, wann wir anfangen.

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