纳米动物:对未来的“星际迷航”愿景

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纳米效率的概念为我们展示了未来的星际迷航版本。需要一顿饭吗?按下复制器上的按钮。需要扳手吗?按下复制器上的按钮。当您想要的任何物品可以立即生产时,没有任何用途。

理查德·费曼(Richard Feynman)在他的精彩演讲中首次浮出水面,建造了奇妙的新发明原子原子。这个想法在1980年代和1990年代获得了关注,这受到K. Eric Drexler的流行和科学工作的刺激。在Drexler的想象中,分子的铸造厂会吸入原材料的饲料并建立物体(例如3D打印机),而不是从大量材料开始并将其雕刻成形状。这个梦想激动的未来主义者和科幻作家。它还启发了许多研究人员和学生(包括一次真正的研究),从事纳米技术研究。

纳米动物是可能的

正如Feynman在他的演讲中指出的那样,没有任何物理定律禁止分子甚至原子以这种方式组装。它不仅是合理的,而且我们还是纳米制作的生命实施例。细胞具有使用蓝图(DNA)进行编码消息(RNA)所需的机械,该消息提供了指令对分子铸造(核糖体)的指令。自然不再是唯一的纳米纳法器。

人类创造力创造了合成仪器以在此规模上运行。我们使用带有微小扫描针头的显微镜来查看单个原子。跑步这样的显微镜的研究生可以将一个原子或一个小分子定位,尽管有些困难。我们还实施复杂的化学过程来合成大量新化学物质,例如聚合物塑料。

然而,这些技术都不适用于纳米制作。我们的工业生产过程在原子上非常大,非常粗糙。一小部分的铸造,成型或加工是对数万亿原子的粗略处理(在特定设计参数的100,000个原子之内是一个紧密的要求)。我们的学生具有纳米操纵显微镜的学生可以机械地组装原子原子精确度很高,但要建立销钉的头将花费大于宇宙年龄。因此,用巨型机器从原子中构建任何东西都太慢且太硬了。我们需要的是微型机器(其中很多),以从微观构建块中收集大量物质。

纳米化器的问题

德雷克斯勒(Drexler)与诺贝尔奖获奖化学家理查德·史马利(Richard Smalley)进行了著名的辩论,就纳米制剂的实践设计进行了辩论。 Smalley本人是纳米技术领域的创始人和倡导者,也是Drexler的思想的仰慕者,他对纳米制造问题的应用应用了工业工程方法。

我们通常通过化学而不是机械操作合成分子。相对于其体积,分子或粒子的表面积越小,其表面积就越多。微小的颗粒被基于表面的力支配,使它们以大颗粒不可能的方式作用。足球不会从地面跳过,并以如此强度的力量将自己固定在我们的腿上,以至于我们无法再次将它们撕下。纳米颗粒可以。

Smalley在辩论中特别提出了这一点。他称其为粘手指问题。当您机械操纵分子和原子时,它们倾向于遵守事物。如果没有找到要坚持的东西,它们就无法轻易移动,并且一旦做到了,就无法轻易移动。这不仅适用于设备,而且还适用于附近恰好在附近的不良原子。我们的大气是由O2,CO2和H2O制成的,我们的地面由石英(Sio2),Alkali Feldspar(带有O8组的矿物质),AL2O3和许多其他氧化化合物组成,其中47%的化合物是47%的化合物。地壳质量是重量的氧气。操纵一个孤立的O原子,或试图组装一些您试图防止氧气运行的东西,这将非常困难。

Smalley提出了第二个实际问题。纳米动物可能需要微小的机械臂来进行装配工作。为了有效掌握原子,这些手臂上的“手”必须大约是原子的大小,或者最多只有几个原子。要将两个原子带到一起,需要“手指”握住每个原子。理想情况下,手指将比它们掌握的原子小,以便以高忠诚移动它。麻烦的是,手指不能比原子小,因此我们开始耗尽“底部的房间”。 Smalley称此为胖手指问题。

用脂肪的手指组装分子会变得更加棘手:分子不能仅仅被粉碎在一起。要以所需的方式结合,必须将它们放在某些方向和在某些条件下,非常谨慎。化学概念是沿参数化反应坐标的分子路径。遵循正确的路径可能需要更完美地操作微小的手指。一种化学解决方案?

实验性研究化学家Smalley随后提出,纳米动物可以通过化学作用,例如细胞内部的过程。这也遭受了严重缺陷,对潜在化学方法进行了更深入的研究。第一种方法是一种纳米化机,具有在水性(水基)环境中包含的有机分子。它会操纵不是单个原子,而是小催化分子(酶),以刺激化学反应,这些反应从较小的分子分子中组装出较大的分子。

即使在酶等天然机械的帮助下,选择,布置和粘结分子仍然是棘手的工作。从根本上讲,这些过程仅限于某些类型的分子。细胞制造蛋白质和各种形式的天然有机化合物,但它们不构造金属物体。它们不构建我们用于计算的半导体,也不构造许多其他高科技材料。也许纳米未来可以由有机复合材料制成。

如果我们希望使用化学方法而不在水中运行或在蜂窝过程中建立化学方法,那么Smalley认为这项工作将需要开发“已经避开了几个世纪的大量化学区域”。

德雷克斯勒(Drexler)反驳说,纳米动物不会通过化学作用,但实际上将使用机械合成。他反复将这项工作描述为工程挑战。这揭示了关于纳米化机构的辩论中的哲学区别。德雷克斯勒的心态是工程师的心态,认为一旦已知问题可解决,这只是系统地应用已知模型的问题,直到达到解决方案。 Smalley的方法是科学家的方法,认为该问题尚未通过工程模型解决,因为尚未完全理解基础科学细节。

科学思维围绕Smalley的立场结合在一起。这给纳米动物的研究推动了阻尼器。尽管纳米技术桶的更广泛领域,但它集中在较小的目标上。但是,这并没有动摇一些未来主义者在纳米化器中的信念,以及他们会生产的小纳米机器人(纳米大小的机器人)。一些预测 – 例如,纳米机器人的SCADS通过我们的血液打击病原体蜂拥而至,或使我们的身体恢复活力,以帮助我们永远生存或渗透到我们的大脑以使我们超级智能的生活 – 似乎有些愚蠢。

到目前为止,我们最接近实用的纳米纳法制作是聚合酶链反应(PCR),这是DNA测序,感染性疾病测试和刑事法医研究的关键发明。我们没有创建合成机械,而是重新利用细胞机械复制DNA分子。这种“分子影印”技术从几个初始的DNA分子中产生了更多的DNA分子。

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