Het is een kleine, kleine, kleine, kleine wereld

De eigenschappen van materialen zijn afhankelijk van hoe hun atomen zijn gerangschikt. Herschik de atomen in steenkool en je krijgt diamanten. Herschik de atomen in aarde, water en lucht, en je hebt gras. En sinds mensen voor het eerst stenen werktuigen en vuurstenen messen maakten, manipuleren we atomen in grote donderende statistische kuddes door materialen te gieten, frezen, malen en hakken. We herschikken de atomen in bijvoorbeeld zand, voegen een snufje onzuiverheden toe en maken computerchips. We zijn er steeds beter in geworden en kunnen meer dingen maken tegen lagere kosten en met grotere precisie dan ooit tevoren.

Zelfs in ons meest nauwkeurige werk verplaatsen we atomen in enorme hopen en slordige stapels - miljoenen of miljarden tegelijk. Theoretische analyses maken echter duidelijk dat we atomen en moleculen één voor één moeten kunnen herschikken, met elk atoom op precies de juiste plaats, net zoals we Legoblokken zouden kunnen rangschikken om een ​​modelgebouw of een eenvoudige machine te maken. Deze technologie, vaak nanotechnologie of moleculaire fabricage genoemd, stelt ons in staat om de meeste producten lichter, sterker, slimmer, goedkoper, schoner en nauwkeuriger te maken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van februari 1997

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

De gevolgen zouden groot zijn. We zouden, om te beginnen, de revolutie in computerhardware kunnen voortzetten tot en met moleculaire schakelaars en draden. Het vermogen om dingen molecuul voor molecuul te bouwen zou ons ook in staat stellen een nieuwe klasse van structurele materialen te maken die meer dan 50 keer sterker zou zijn dan staal van hetzelfde gewicht: een Cadillac zou 100 pond kunnen wegen; een full-size bank kon met één hand worden opgepakt. Het vermogen om molecuul voor molecuul te bouwen zou ons ook chirurgische instrumenten kunnen opleveren met zo'n precisie en behendigheid dat ze zouden kunnen werken op de cellen en zelfs moleculen waaruit we zijn gemaakt.

De mogelijkheid om dergelijke producten te maken, ligt waarschijnlijk over enkele decennia. Maar theoretische en computationele modellen bieden de garantie dat de moleculaire productiesystemen die nodig zijn voor de taak mogelijk zijn - dat ze de bestaande fysieke wet niet schenden. Deze modellen geven ons ook een idee van hoe een moleculair productiesysteem eruit zou kunnen zien. Dit is een belangrijke basis: het basisidee van een elektrisch relais was immers bekend in de jaren 1820, en het concept van een mechanische computer die werkte op basis van een opgeslagen set instructies - een programma - werd een paar jaar later begrepen. Maar computers die relais gebruikten, werden pas veel later gebouwd omdat er geen goed theoretisch begrip van berekeningen bestond. Tegenwoordig bedenken wetenschappers talloze tools en technieken die nodig zijn om nanotechnologie van computermodellen om te zetten in realiteit. Hoewel de meeste op het gebied van de theorie blijven, lijkt er geen fundamentele belemmering te zijn voor hun ontwikkeling.

Een Nano-gereedschapskist

Stel je voor dat je wat draden, transistors en andere elektronische componenten in een zak doet, ermee schudt en er een volledig gemonteerde en gebruiksklare radio uit haalt. Hoewel dit fantasievol klinkt, is zo'n opmerkelijke zelfassemblage in wezen wat chemici doen wanneer ze materialen synthetiseren. Door oplossingen in een beker te mengen, laat een chemicus de intrinsieke aantrekkingskracht en afstoting van bepaalde moleculen en atomen het overnemen. Er is een kunst en wetenschap geëvolueerd om de omstandigheden zo te regelen dat atomen zich spontaan assembleren tot bepaalde moleculaire structuren.

Evenzo worden we omringd en geïnspireerd door producten die wonderbaarlijk complex en toch erg goedkoop zijn. Aardappelen, bijvoorbeeld, bestaan ​​uit tienduizenden genen en eiwitten en ingewikkelde moleculaire machines; toch denken we er niet aan om dit wonder van de biologie te eten, gepureerd met een beetje boter. Aardappelen kosten, samen met vele andere landbouwproducten, minder dan een dollar per pond. De belangrijkste reden: met een beetje aarde, water, lucht en zonlicht kan een aardappel meer aardappelen maken. Evenzo, als we een programmeerbaar fabricageapparaat voor algemene doeleinden zouden kunnen maken dat kopieën van zichzelf zou kunnen maken - wat nanotechnologieonderzoekers een assembler noemen - dan zouden de productiekosten voor zowel het apparaat als alles wat het maakt laag kunnen worden gehouden.

Een basisprincipe bij zelfmontage is selectieve plakkerigheid. Als twee moleculaire delen complementaire vormen en ladingspatronen hebben - dat wil zeggen, de ene heeft een holte waar de andere een bobbel heeft, of de ene heeft een positieve lading waar de andere een negatieve lading heeft - dan zullen ze de neiging hebben om op een bepaalde manier aan elkaar te plakken een groter deel gaan uitmaken. Dit grotere deel kan op dezelfde manier worden gecombineerd met andere delen zodat uit moleculaire stukjes een complex geheel ontstaat.

Zelfassemblage alleen is echter niet voldoende om het brede scala aan producten te maken dat nanotechnologie belooft. Als de onderdelen bijvoorbeeld willekeurig plakkerig zijn, zou het door elkaar roeren rommelige klodders opleveren in plaats van precieze moleculaire machines. We kunnen dit probleem oplossen door de moleculaire delen in de juiste positie en oriëntatie te houden, zodat wanneer ze elkaar raken, ze samenkomen zoals we dat willen. Op macroscopische schaal gaat het idee dat we onderdelen in onze handen kunnen houden en ze in elkaar kunnen zetten door ze op de juiste manier ten opzichte van elkaar te positioneren terug tot de prehistorie: we vieren onszelf als de gereedschapsgebruikende soort. Maar het idee om moleculen vast te houden en te positioneren is nieuw en bijna schokkend. Er moeten nanoschaal-equivalenten van armen en handen worden ontwikkeld.

De huidige voorstellen voor positionele apparaten op moleculaire schaal lijken op robotachtige apparaten van normale grootte, maar ze zijn ongeveer een tienmiljoenste zo groot. Een moleculaire robotarm kan systematisch heen en weer vegen, atomen toevoegen en verwijderen van een oppervlak om elke structuur te bouwen die de computer hem opdraagt. Zo'n arm, samengesteld uit een paar miljoen atomen, zou 100 nanometer lang en 30 nanometer rond kunnen zijn. Hoewel het ongeveer 100 bewegende delen zou hebben, zou het geen smeermiddelen gebruiken - op deze schaal lijkt een smeermiddelmolecuul meer op een stuk gruis. Dergelijke ultraminiatuurgereedschappen zouden in staat moeten zijn om hun tips binnen een kleine fractie van een atomaire diameter te positioneren. Triljoenen van dergelijke apparaten zouden niet meer dan een paar kubieke millimeter in beslag nemen (een stipje dat iets groter is dan een speldenknop).

Moleculaire armen zouden worden geteisterd door iets waar we ons op macroscopische schaal geen zorgen over maken: thermische ruis. Atomen en moleculen zijn in een constante staat van wiebelen en schudden; hoe hoger de temperatuur, hoe krachtiger de beweging. Om zijn positie te behouden, moet een arm op nanoschaal daarom extreem stijf zijn.

Het stijfste materiaal dat er is, is diamant. De sterkte en lichtheid van een materiaal hangt af van het aantal en de sterkte van de bindingen die de atomen bij elkaar houden, en van de lichtheid van de atomen. Het element dat het beste aan beide criteria voldoet, is koolstof, dat licht van gewicht is en sterkere bindingen vormt dan welk ander atoom dan ook. De koolstof-koolstofbinding is bijzonder sterk; elk koolstofatoom kan binden aan vier naburige atomen. In diamant creëert een dicht netwerk van sterke bindingen een sterk, licht en stijf materiaal. Inderdaad, net zoals we het stenen tijdperk, de bronstijd en het staaltijdperk hebben genoemd naar de materialen die mensen konden maken, zouden we het nieuwe technologische tijdperk waarin we het diamanttijdperk binnengaan, kunnen noemen.

Hoe kan een diamantapparaat van deze schaal worden geproduceerd? Eén antwoord komt door te kijken naar hoe we vandaag diamanten laten groeien. In een proces dat enigszins doet denken aan verfspuiten, bouwen we laag na laag diamant op door een oppervlak in een wolk van reactieve waterstofatomen en koolwaterstofmoleculen te houden. Wanneer deze moleculen tegen het oppervlak botsen, veranderen ze het, hetzij door atomen toe te voegen, te verwijderen of te herschikken. Door de druk, temperatuur en de exacte samenstelling van het gas in dit proces, genaamd chemische dampafzetting (CVD), zorgvuldig te regelen, kunnen we omstandigheden creëren die de groei van diamant op het oppervlak bevorderen.

Maar het willekeurig bombarderen van een oppervlak met reactieve moleculen biedt geen fijne controle over het groeiproces; het is vergelijkbaar met proberen een polshorloge te bouwen met een zandstraalmachine. We willen dat de chemische reacties precies op de door ons aangegeven plaatsen op het oppervlak plaatsvinden. Een tweede probleem is hoe we het diamantoppervlak reactief kunnen maken op de specifieke plekken waar we nog een atoom of molecuul willen toevoegen. Een diamantoppervlak is normaal gesproken bedekt met een laag waterstofatomen. Zonder deze laag zou het ruwe diamantoppervlak zeer reactief zijn omdat het bezaaid zou zijn met ongebruikte (of bungelende) bindingen van de koolstofatomen. Hoewel hydrogenering ongewenste reacties voorkomt, maakt het ook het hele oppervlak inert, waardoor het moeilijk wordt om er koolstof (of iets anders) aan toe te voegen.

Om dit probleem op te lossen, zouden we een reeks hulpmiddelen op moleculaire schaal kunnen gebruiken die, in een reeks stappen, het oppervlak zouden voorbereiden en structuren zouden creëren op de diamantlaag, atoom voor atoom en molecuul voor molecuul. De eerste stap in het proces zou zijn om een ​​waterstofatoom van een specifieke plek op het diamantoppervlak te verwijderen, waardoor een reactieve bungelende binding achterblijft. Dit kan worden gedaan met een waterstofabstractie-instrument - een moleculaire structuur die aan het ene uiteinde een hoge chemische affiniteit voor waterstof heeft, maar elders inert is. Het niet-reactieve gebied van de tool dient als een soort handvat. Het gereedschap zou worden vastgehouden door een moleculair positioneringsapparaat, zoals de moleculaire robotarm die eerder is besproken, en direct over bepaalde waterstofatomen worden verplaatst op het oppervlak dat we willen abstraheren.

Hierdoor ontstaat een kip-en-ei-probleem: we hebben een moleculaire robotarm nodig om nog een moleculaire robotarm te bouwen. Om dit probleem op te lossen, moeten we op een gegeven moment een moleculaire robotarm bouwen met iets anders dan een moleculaire robotarm. We zouden bijvoorbeeld een macroscopisch positioneringsapparaat kunnen gebruiken - zoals een verbeterde versie van een bestaande atoomkrachtmicroscoop - om onze eerste moleculaire robotarm te maken. Als alternatief kunnen we zelf een vereenvoudigd moleculair positioneringsapparaat samenstellen. Deze eerste ruwe positionele apparaten zouden vervolgens kunnen worden gebruikt om betere te maken.

Een geschikt molecuul voor een waterstofabstractie-instrument is de acetyleenradicaal - twee koolstofatomen die drievoudig aan elkaar zijn gebonden. Eén koolstofatoom zou het handvat zijn en zou worden gekoppeld aan een positioneringstool op nanoschaal. De andere koolstof heeft een bungelende binding waar een waterstofatoom in gewoon acetyleen zou zijn. De omgeving rond het gereedschap zou inert zijn (typische voorstellen omvatten het gebruik van vacuüm of een edelgas, zoals krypton of xenon).

Zodra dit gereedschap een reactieve plek heeft gecreëerd door selectief waterstofatomen van het diamantoppervlak te verwijderen, wordt het mogelijk om koolstofatomen op de gewenste plaatsen af ​​te zetten. Op deze manier wordt een diamantstructuur opgebouwd, molecuul voor molecuul, volgens plan. Een voorstel voor deze functie is het dimere depositie-instrument. Een dimeer is een molecuul dat bestaat uit twee dezelfde atomen of moleculen die aan elkaar zijn geplakt. In dit geval zou het dimeer C2-twee koolstofatomen zijn, verbonden door een drievoudige binding. In het depositiegereedschap zou elke koolstof in het dimeer verbonden zijn met een groter molecuul door enkelvoudige bindingen met zuurstofatomen.

De waterstofabstractietool en de dimeerdepositietool zouden samenwerken (zie bovenstaande afbeelding). Ten eerste zou het abstractiegereedschap twee aangrenzende waterstofatomen van het diamantoppervlak verwijderen. De twee bungelende bindingen zouden reageren met de uiteinden van het koolstofdimeer. Deze reactie zou de koolstof-zuurstofbindingen verbreken en vervolgens het koolstofdimeer van het gereedschap naar het oppervlak overbrengen. Omdat de energie die vrijkomt tijdens de reactie veel groter is dan thermische ruis, zal het dimeer op het oppervlak klikken en daar blijven.

Een derde voorgesteld hulpmiddel voor het maken van nanostructuren is het carbeen-insertiehulpmiddel. Carbenen - zeer reactieve koolstofatomen met twee bungelende bindingen - zullen reageren met (en een koolstofatoom toevoegen aan) vele moleculaire structuren. Carbenen zullen gemakkelijk in dubbele of driedubbele bindingen worden opgenomen, zoals de binding in het hierboven beschreven koolstof-koolstofdimeer. Een positioneel gestuurde carbeen kan bijna overal op een groeiend moleculair werkstuk worden bevestigd, wat leidt tot de constructie van vrijwel elke gewenste vorm.

Een vierde voorstel is voor een waterstofdepositietool. Waar het waterstofabstractiegereedschap bedoeld is om een ​​inerte structuur reactief te maken door een bungelende binding te creëren, zou het waterstofdepositiegereedschap het tegenovergestelde doen: een reactieve structuur inert maken door bungelende bindingen te beëindigen. Zo'n hulpmiddel zou ons in staat stellen reactieve oppervlakken te stabiliseren en te voorkomen dat de oppervlakte-atomen zich op onverwachte en ongewenste manieren herschikken. De belangrijkste vereiste voor een dergelijk hulpmiddel is dat het een zwak gebonden waterstofatoom bevat. Hoewel veel moleculen aan die beschrijving voldoen, is de binding tussen waterstof en tin bijzonder zwak; dus een op tin gebaseerd hulpmiddel voor waterstofafzetting zou effectief moeten zijn.

Deze vier moleculaire gereedschappen zouden ons in staat moeten stellen een breed scala aan stijve structuren te maken, maar alleen die welke zijn samengesteld uit waterstof en koolstof. Dit is een veel minder ambitieus doel dan proberen alle 100 of zo elementen in het periodiek systeem te gebruiken. Maar in ruil voor ons te beperken tot deze meer beperkte klasse van structuren, maken we het veel gemakkelijker om te analyseren welke structuren kunnen worden gefabriceerd en de synthetische reacties die nodig zijn om ze te maken. In ieder geval kan dit engere voorstel gemakkelijker en grondiger worden onderzocht dan volledige nanotechnologie. En diamant en zijn onbreekbare varianten vallen binnen deze categorie, net als de fullerenen-platen van koolstofatomen die in bollen, buizen en andere vormen zijn gerold. Deze materialen kunnen alle onderdelen vormen die nodig zijn voor mechanische basisapparaten zoals stutten, lagers, tandwielen en robotarmen.

Uiteindelijk willen we andere elementen toevoegen, bijvoorbeeld om elektronische diamantapparaten te maken, of wat stikstof aan het binnenoppervlak van een lager toe te voegen om de spanning te verlichten (de koolstof-stikstofbinding is langer dan de koolstof-koolstofbinding) . Dergelijke structuren, voornamelijk samengesteld uit koolstof en waterstof in combinatie met stikstof, zuurstof, fluor, silicium, fosfor, zwavel of chloor, vormen wat we de klasse van diamandoïde materialen noemen.

Het diamanttijdperk

Natuurlijke diamant is duur, we kunnen het niet maken in de vormen die we willen, en het verbrijzelt. Dankzij nanotechnologie kunnen we op een goedkope manier onbreekbare diamant maken (met een structuur die lijkt op diamantvezels) in precies de vormen die we willen. Dit zou ons in staat stellen een Boeing 747 te maken die een vijftigste van de huidige versies zou wegen zonder enig verlies aan kracht. Het voordeel voor de ruimtevaart zou ook dramatisch zijn. De sterkte-gewichtsverhouding en de kosten van componenten zijn van cruciaal belang voor de prestaties en economie van ruimteschepen: nanotechnologie zou beide parameters met ongeveer twee ordes van grootte kunnen verbeteren.

Nanotechnologie zou ook de economie van energieproductie radicaal kunnen veranderen. De zon zou orden van grootte meer energie kunnen leveren dan mensen nu gebruiken - en dat schoner en goedkoper dan fossiele brandstoffen en kernreactoren - als we maar goedkope zonnecellen en batterijen konden maken. We weten al hoe we efficiënte zonnecellen kunnen maken: nanotechnologie zou de kosten kunnen drukken en zonne-energie eindelijk zuinig kunnen maken. In deze toepassing hoeven we geen nieuwe of technisch superieure apparaten te maken; alleen door goedkoop te maken wat we al weten hoe duur te maken, zouden we zonne-energie in de mainstream brengen.

De fabricage van computerchips zou een ingrijpende verandering kunnen ondergaan. Er lijken fundamentele grenzen te zijn aan de mate waarin we de lithografie, het proces waarmee chips nu worden gemaakt, nog verder kunnen verbeteren. Bij lithografie (letterlijk: steenschrift) tekenen we fijne lijntjes op een siliciumwafel met behulp van uit de fotografie ontleende methoden. Een lichtgevoelige film, een resist genaamd, wordt over de siliciumwafel verspreid. De resist wordt blootgesteld aan een complex patroon van licht en donker, zoals een negatief in een camera, en ontwikkeld. Door dit proces te herhalen, kan een ingewikkelde reeks in elkaar grijpende patronen worden gemaakt die de complexe logische elementen van een computerchip definiëren.

Maar atomen rangschikken door fotonen (of andere deeltjes) van een afstand naar een oppervlak te gooien lijkt niet de beste aanpak, vooral als we drie dimensies willen gebruiken in plaats van slechts twee; stel je voor dat je een auto bouwt door er gereedschap op te gooien van meer dan een mijl afstand. Dus als verbeteringen aan computerhardware in het huidige tempo door moeten gaan, zullen we over een decennium of zo verder moeten gaan dan lithografie naar een nieuwe productietechnologie. Ontwerpen voor computerlogica-elementen die uit minder dan 1.000 atomen bestaan, zijn al voorgesteld, maar elk atoom in zo'n klein apparaatje moet precies op de juiste plaats zitten. En het rondspuiten van chemicaliën kan atomen simpelweg niet met de benodigde precisie rangschikken.

Gelukkig is diamant een uitstekend elektronisch materiaal. Het presteert beter dan silicium in verschillende belangrijke opzichten. Om te beginnen bewegen elektronen sneller in diamant dan in silicium. Diamant kan ook beter werken dan silicium bij hoge temperaturen. Dit is belangrijk omdat naarmate chips sneller en sneller worden, hun prestaties worden beperkt door de noodzaak om de warmte af te voeren die zich in het circuit ophoopt.

Diamond heeft dit voordeel om twee redenen. Ten eerste heeft diamant een grotere thermische geleidbaarheid dan silicium, waardoor warmte sneller uit een diamanttransistor kan worden afgevoerd. Ten tweede heeft diamant een grotere bandgap dan silicium-5,5 elektronvolt, in tegenstelling tot 1,1 elektronvolt in silicium. De bandgap is de minimale hoeveelheid energie die nodig is om een ​​elektron vanuit zijn relatief onbeweeglijke toestand naar de geleidingsband van de halfgeleider te sturen, waar het elektron vrij kan bewegen onder invloed van een spanning. Naarmate de temperatuur stijgt, krijgen meer elektronen de energie die nodig is om in de geleidingsband te springen. Wanneer te veel elektronen dit doen, verandert het apparaat van een halfgeleider in een geleider; de transistor maakt kortsluiting en stopt met werken. De hogere bandgap van Diamond betekent dat het kortsluit bij een hogere temperatuur.

Met nanotechnologie zouden we apparaten voor massaopslag moeten kunnen bouwen die meer dan 100 miljard miljard bytes kunnen opslaan in een volume ter grootte van een suikerklontje, en enorm parallelle computers van dezelfde grootte die een miljard miljard instructies per seconde kunnen leveren - een miljard keer meer dan de huidige desktopcomputers.

De beschikbaarheid van apparaten op nanoschaal zou chirurgie ook radicaal kunnen herdefiniëren. Er is tegenwoordig een fundamentele mismatch tussen wat nodig is om verwondingen te behandelen en de mogelijkheden van onze tools. De cellulaire en moleculaire machinerie in ons weefsel is klein en nauwkeurig, maar de huidige scalpels zijn, zoals gezien door een cel, ruwe zeisen die door weefsel scheuren en dode en verminkte cellen achterlaten. De enige reden dat moderne chirurgie werkt, is het opmerkelijke vermogen van cellen om zich te hergroeperen, hun doden te begraven en over de wond te genezen.

Chirurgische instrumenten die zowel qua omvang als precisie moleculair zijn, moeten ons in staat stellen om op moleculair en cellulair niveau de verwondingen die ziekten veroorzaken direct te genezen. Een moleculaire robotarm van minder dan 100 nanometer lang zou bijvoorbeeld gemakkelijk in de bloedsomloop passen (een enkele rode bloedcel heeft een diameter van ongeveer 8.000 nanometer) en zou zelfs in individuele cellen kunnen knijpen.

Een toepassing zou zijn in kankertherapie. We zouden een klein apparaat kunnen ontwerpen dat kankercellen kan identificeren en doden. Het apparaat, dat een computer op nanoschaal zou bevatten en verschillende bindingsplaatsen die zijn gevormd om op specifieke moleculen te passen, zou vrij door het lichaam circuleren en periodiek de omgeving bemonsteren door te bepalen of de bindingsplaatsen bezet waren. Hoe vaker een site werd bezet, hoe hoger de concentratie van het molecuul waarvoor die site was ontworpen. Een nanodevice met een tiental verschillende soorten bindingsplaatsen zou op deze manier de concentraties kunnen volgen van een tiental verschillende soorten moleculen die normaal in het lichaam voorkomen, maar waarvan de concentraties ten opzichte van elkaar veranderen wanneer kanker aanwezig is. De computer zou kunnen bepalen of het profiel van concentraties past in een voorgeprogrammeerd profiel en zou, wanneer een kankerprofiel werd aangetroffen, een gif vrijgeven dat selectief de kankercellen doodt.

Elk apparaat zou een druksensor op nanoschaal kunnen bevatten waarmee de kankermoordenaar instructies kan ontvangen via ultrasone signalen in het megahertz-bereik. Door naar verschillende macroscopische akoestische signaalbronnen te luisteren, zou het apparaat zijn locatie in het lichaam kunnen bepalen, net zoals een radio-ontvanger op aarde de uitzendingen van verschillende satellieten kan gebruiken om zijn positie te bepalen. Bewustwording van zijn eigen locatie in het lichaam zou het apparaat helpen beslissen of het zich in de buurt van de kanker bevond. Bij afwezigheid van locatie-informatie kan het soms per ongeluk gif afgeven in een cel die een kankercel leek te zijn. Als het doel was om bijvoorbeeld darmkanker te doden, zou een kankerdoder in de grote teen zijn gif niet afgeven, ongeacht wat zijn kankersensoren hem vertelden.

Hoe kunnen we daar komen?

De wonderbaarlijke mogelijkheden die hier worden beschreven, zijn voor het grootste deel theoretisch. Hoe kunnen ze werkelijkheid worden? Hoe kunnen we een programmeerbaar fabricagesysteem voor algemene doeleinden bouwen met behulp van zeer reactieve, positioneel gecontroleerde gereedschappen waarmee de meeste diamandoïde structuren goedkoop kunnen worden vervaardigd?

De omvang van deze uitdaging mag niet worden onderschat. De huidige voorstellen voor een assembleur die in staat is om diamantoïde structuren te fabriceren, omvatten honderden miljoenen of miljarden atomen - zonder dat er een atoom op zijn plaats is. Zelfs een eenvoudige robotarm, die misschien maar uit een paar miljoen atomen bestaat, zou vergezeld moeten gaan van andere componenten. De robotarmen zouden bijvoorbeeld in een vacuüm werken, wat aangeeft dat er een schaal rond de arm nodig is om dat vacuüm te behouden. Andere aanvullende gadgets die nodig zijn, zijn onder meer akoestische ontvangers, computers, door druk bediende ratels en bindingsplaatsen. Als bij elke bewerking, zoals waterstofabstractie of carbeenafzetting, doorgaans één of enkele atomen worden verwerkt, moet het foutenpercentage minder dan één op een miljard zijn.

Hoewel een dergelijke perfectie theoretisch haalbaar is, is de technologie van vandaag niet opgewassen tegen de taak. Een chemisch syntheseproces dat chemici als zeer goed beschouwen, zet 99 procent van de reactanten om in het gewenste product. Maar die opbrengst van 99 procent vertegenwoordigt een foutenpercentage van één op 100, wat tien miljoen keer minder perfect is dan we wensen voor een volwassen nanotechnologie. De synthese van eiwitten uit aminozuren door ribosomen heeft een foutenpercentage van misschien één op 10.000. Door te vertrouwen op uitgebreide foutdetectie en -correctie samen met ingebouwde redundantie (het molecuul heeft twee complementaire strengen), bereikt het een foutenpercentage van ongeveer één base op een miljard wanneer het zichzelf repliceert.

Geen enkele bestaande technologie kan dit prestatieniveau benaderen. Een techniek die bijvoorbeeld individuele atomen kan positioneren, is de scanning probe microscope (SPM), waarbij een scherpe punt naar het oppervlak van een monster wordt gebracht, zodat een signaal wordt gegenereerd waarmee we het te onderzoeken oppervlak in kaart kunnen brengen. als een blinde die met een stok tikt om het pad voor hem te voelen. Sommige SPM's duwen letterlijk op het oppervlak en merken op hoe hard het oppervlak terugduwt. Anderen verbinden het oppervlak en de sonde met een spanningsbron en meten de stroom wanneer de sonde dicht bij het oppervlak komt. Een groot aantal andere sonde-oppervlak-interacties kunnen worden gemeten en worden gebruikt om verschillende soorten SPM's te maken.

De SPM kan niet alleen een oppervlak in kaart brengen, maar kan het ook veranderen, bijvoorbeeld door individuele atomen en moleculen in een gewenst patroon af te zetten. In een goed gepubliceerde zaak hebben wetenschappers 35 xenon-atomen op een nikkeloppervlak gerangschikt om de letters te vormen die hun werkgever identificeerden: IBM. Maar deze SPM-manipulatie vereiste koeling tot 4 graden boven het absolute nulpunt - niet bepaald ideale omstandigheden voor grootschalige productie. Meer recent hebben IBM-wetenschappers moleculen bij kamertemperatuur nauwkeurig gerangschikt op een koperen oppervlak. SPM's hebben echter een foutpercentage dat zo hoog is dat ze relatief geavanceerde methoden voor foutdetectie en -correctie moeten gebruiken. En hoewel deze systemen een paar atomen of moleculen kunnen verplaatsen, kunnen ze geen grote hoeveelheden precies gestructureerde diamant maken van het soort dat zou kunnen worden gebruikt om een ​​auto of een vliegtuig te bouwen.

Ten slotte zijn de huidige SPM's veel te traag. In de natuur hebben ribosomen tientallen milliseconden nodig om een ​​enkel aminozuur aan een groeiend eiwit toe te voegen. Maar als een assembleur in ongeveer een dag een kopie van zichzelf moet maken, en als dit een paar honderd miljoen bewerkingen kost, dan moet elke bewerking in een fractie van een milliseconde plaatsvinden. Een SPM daarentegen kost uren om een ​​paar atomen of moleculen te rangschikken. In plaats van te proberen al deze problemen in één grote sprong op te lossen, zouden we ze meer stapsgewijs kunnen benaderen door een reeks tussenliggende systemen te ontwikkelen. Een benadering zou bijvoorbeeld zijn om de eis te elimineren dat de assembler gemaakt moet zijn van diamandoïde structuren. Diamondoid is aantrekkelijk, zoals we hebben gezien, vanwege zijn sterkte, stijfheid en elektrische eigenschappen. Maar een tussensysteem hoeft alleen een geavanceerder systeem te maken, en misschien producten die indrukwekkend zijn in vergelijking met de producten van vandaag. Het hoeft zelf geen diamantoïde te zijn.

Dit suggereert wat op bouwstenen gebaseerde nanotechnologie zou kunnen worden genoemd. In plaats van diamant te bouwen, bouwen we een ander materiaal van relatief grote moleculaire eenheden bestaande uit tientallen, honderden of zelfs duizenden atomen. Dergelijke grote bouwstenen verminderen het aantal montagestappen, zodat er minder eenheidsbewerkingen nodig zijn en ze hoeven niet zo betrouwbaar te zijn. Oplosbare bouwstenen die alleen aan andere bouwstenen kleven, niet aan het oplosmiddel of lage concentraties verontreinigingen, maken het werken in een vacuüm overbodig.

Bij het selecteren van dergelijke bouwstenen hebben we veel keuzes: elk van de vele moleculen die chemici hebben gesynthetiseerd, of redelijkerwijs zouden kunnen synthetiseren, met de gewenste eigenschappen. Elke moleculaire bouwsteen moet minstens drie plaatsen hebben waar hij kan linken naar andere bouwstenen. Eenheden met twee bindingsplaatsen suggereren de polymeren die alomtegenwoordig zijn in biologische systemen, zoals DNA, RNA en eiwitten. Bouwstenen met drie bindingsplaatsen maken het ontwerpen van stijve driedimensionale structuren veel eenvoudiger.

Dergelijke bouwstenen zouden aan elkaar kunnen worden gekoppeld met behulp van een van de vele goed begrepen chemische reacties. Een bijzonder aantrekkelijke mogelijkheid is de Diels-Alder-reactie, waarbij men een dieen (een koolwaterstof met een dubbele koolstof-koolstofbinding) kan laten reageren met een specifiek molecuul.

De twijfelaars beantwoorden

Ondanks de aannemelijkheid van de ontwikkeling van nanotechnologie, zijn er sceptici. Hun kritiek is echter slecht geïnformeerd. Zo werd scheikundige David Jones, een columnist van Nature, in Scientific American geciteerd dat de constructie van een moleculaire assembler gedoemd was te mislukken omdat individuele atomen verbazingwekkend mobiel en reactief zijn. Ze zullen onmiddellijk worden gecombineerd met omgevingslucht, water, elkaar, de vloeistof die de assembleurs ondersteunt, of de assemblers zelf.

Voorstellen met reactieve moleculaire instrumenten specificeren echter dat de omgeving inert moet zijn, ofwel vacuüm ofwel een edelgas; er zou geen omgevingslucht zijn om mee te reageren. En omdat de moleculaire gereedschappen positioneel worden gecontroleerd, zullen ze niet met elkaar of met de assembler zelf reageren - om dezelfde reden dat een hete soldeerbout niet reageert met de huid van de persoon die hem hanteert.

Ik krijg vaak de vraag hoe lang het zal duren voordat we moleculaire computers kunnen maken, voordat goedkope fotovoltaïsche cellen goedkope, schone zonne-energie opleveren, voordat ultralichte ruimtevaartuigen de kosten van ruimteverkenning drastisch verlagen. Het wetenschappelijk correcte antwoord is: ik weet het niet. Maar kijken naar één technologie die nanotechnologie kan verbeteren - computergebruik - geeft één perspectief. Van elektromechanische relais tot vacuümbuizen tot transistors tot geïntegreerde schakelingen, we hebben de afgelopen 50 jaar een gestage afname van de grootte en kosten van logische elementen en een gestage toename van hun prestaties gezien. Extrapolatie van deze trends suggereert dat om de computerhardwarerevolutie op schema te houden, de ontwikkeling van moleculaire productie tegen ongeveer 2010 of 2020 nodig zal zijn.

Natuurlijk is het extrapoleren van trends uit het verleden een filosofisch omstreden methode van technologische prognoses. Hoewel geen enkele fundamentele natuurwet ons ervan weerhoudt nanotechnologie volgens dit schema (of zelfs sneller) te ontwikkelen, is er evenmin een wet die zegt dat dit schema niet zal glippen. Veel erger is echter dat dergelijke trends impliceren dat er een bepaald schema is - dat nanotechnologie onvermijdelijk zal verschijnen, ongeacht wat we doen of niet doen. Niets is verder van de waarheid verwijderd. Hoe lang het duurt om deze technologie te ontwikkelen, hangt sterk af van wat we doen. Als we het systematisch nastreven, zal het eerder gebeuren. Als we het negeren, of gewoon hopen dat iemand erover struikelt, duurt het veel langer. Gelukkig kunnen we, door theoretische, computationele en experimentele benaderingen samen te gebruiken, het doel sneller en betrouwbaarder bereiken dan door een enkele benadering alleen te gebruiken. Net zoals Boeing vliegtuigen kan ontwerpen, bouwen en vliegen in een computer voordat ze ze in de echte wereld maken, kunnen we hetzelfde doen voor moleculaire productie. We kunnen de meeste valse starts en doodlopende wegen snel elimineren en ons snel concentreren op de beste benaderingen.

Net als de eerste menselijke landing op de maan, het Manhattan-project of de ontwikkeling van de moderne computer, zal de komst van moleculaire fabricage de gecoördineerde inspanningen van veel mensen gedurende vele jaren vergen. Hoelang zal het duren? Veel hangt af van wanneer we beginnen.

zich verstoppen