Moleküler birleştirici - Molecular assembler

Bir dizi makalenin parçası
Moleküler
nanoteknoloji
  • Nuvola uygulamaları kalzium.svg Bilim portalı
  • Telecom-icon.svg Teknoloji portalı

Bir moleküler birleştiricitanımlandığı gibi K. Eric Drexler, "yol gösterebilen önerilen bir cihazdır kimyasal reaksiyonlar reaktif molekülleri atomik hassasiyetle konumlandırarak ". Moleküler birleştirici bir tür moleküler makine. Gibi bazı biyolojik moleküller ribozomlar bu tanıma uy. Bunun nedeni, haberci RNA ve sonra belirli dizileri bir araya getirin amino asitler inşa etmek protein moleküller. Bununla birlikte, "moleküler birleştirici" terimi genellikle teorik insan yapımı cihazları ifade eder.

Bir ribozom bir biyolojik makine.

2007'de başlayan İngilizler Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi ribozom benzeri moleküler birleştiricilerin gelişimini finanse etti. Açıkça, moleküler birleştiriciler bu sınırlı anlamda mümkündür. Önderliğinde bir teknoloji yol haritası projesi Battelle Memorial Enstitüsü ve birkaç kişi tarafından barındırılıyor ABD Ulusal Laboratuvarları programlanabilir moleküler montaj için hem erken nesil hem de uzun vadeli beklentiler de dahil olmak üzere bir dizi atomik olarak hassas üretim teknolojilerini araştırdı; rapor Aralık 2007'de yayınlandı.[1] 2008'de Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi, Moleküler İmalat Enstitüsü ile ortaklaşa, mekanize mekanosenteze yönelik araştırmalar için altı yıl boyunca 1.5 milyon pound fon sağladı.[2]

Benzer şekilde, "moleküler birleştirici" terimi, bilimkurgu ve popüler kültür Birçoğu gerçekte fiziksel olarak imkansız olabilen çok çeşitli fantastik atom manipülasyonlu nanomakinelere atıfta bulunmak. "Moleküler birleştiriciler" ile ilgili tartışmaların çoğu, hem teknik kavramlar hem de popüler fanteziler için adın kullanımındaki kafa karışıklığından kaynaklanmaktadır. 1992'de Drexler, karmaşık yapıların programlanmış "kimyasal sentezi" olarak tanımladığı ilişkili ancak daha iyi anlaşılan "moleküler üretim" terimini tanıttı. reaktif molekülleri mekanik olarak konumlandırma, tek tek atomları manipüle ederek değil ".[3]

Bu makale daha çok "moleküler birleştiricileri" popüler anlamda tartışıyor. Bunlar, tek tek atomları ve organizma benzeri makineler ile manipüle eden varsayımsal makineleri içerir. kendini kopyalayan yetenekler, hareketlilik, yiyecek tüketme yeteneği vb. Bunlar, yalnızca (yukarıda tanımlandığı gibi) "reaktif molekülleri atomik hassasiyetle konumlandırarak kimyasal reaksiyonları yönlendiren" cihazlardan oldukça farklıdır.

Sentetik moleküler birleştiriciler hiçbir zaman inşa edilmediğinden ve terimin anlamıyla ilgili kafa karışıklığı nedeniyle, "moleküler birleştiricilerin" mümkün mü yoksa sadece bilim kurgu mu olduğu konusunda çok fazla tartışma olmuştur. Karışıklık ve tartışma, aynı zamanda, nanoteknoloji Gerçek ürünlerin üretimine zaten uygulanmış aktif bir laboratuvar araştırma alanı olan; ancak, yakın zamana kadar "moleküler birleştiricilerin" gerçek inşasına yönelik hiçbir araştırma çabası olmamıştı.

Bununla birlikte, bir 2013 makalesi David Leigh adlı kullanıcının grubu, dergide yayınlandı Bilim, moleküler bir iplikçik tarafından yönlendirilen yapay bir moleküler makine kullanarak bir peptidi diziye özgü bir şekilde sentezlemenin yeni bir yöntemini detaylandırıyor.[4] Bu, amino asitleri haberci bir RNA planına göre bir araya getirerek ribozom oluşturan proteinlerle aynı şekilde çalışır. Makinenin yapısı bir rotaksan moleküler bir aks boyunca kayan moleküler bir halka olan. Yüzük bir tiolat amino asitleri sırayla akstan ayıran ve bunları bir peptit montaj bölgesine aktaran grup. 2018'de aynı grup, moleküler halkanın katlanabilen bir oligopeptidi birleştirmek için polimerik bir yol boyunca hareket ettiği bu konseptin daha gelişmiş bir versiyonunu yayınladı. α-sarmal enantiyoselektif epoksidasyonunu gerçekleştirebilen kalkon türev (bir şekilde ribozom bir araya getirmek enzim ).[5] Yayınlanan başka bir makalede Bilim Mart 2015'te kimyagerler Illinois Üniversitesi 14 sınıfın sentezini otomatikleştiren bir platform bildir küçük moleküller, binlerce uyumlu yapı taşı ile.[6]

2017 yılında David Leigh 'ın grubu, bir moleküler substratı yapay bir moleküler makinenin farklı reaktif bölgeleri arasında hareket ettirmek için nanomekanik bir robotik kol kullanarak bir moleküler ürünün dört farklı stereoizomerinden herhangi birini oluşturmak üzere programlanabilen bir moleküler robot bildirdi.[7] Eşlik eden 'Bir moleküler birleştirici' başlıklı bir Haberler ve Görünümler makalesi, moleküler robotun etkin bir şekilde prototip bir moleküler birleştirici olarak çalışmasını özetledi.[8]

Nano fabrikalar

Bir nano fabrikası önerilen bir sistemdir, burada Nanomakineler (moleküler birleştiricilere veya endüstriyel robot kollarına benzeyen) reaktif molekülleri, mekanosentez daha büyük atomik olarak hassas parçalar oluşturmak için. Bunlar, sırasıyla, makroskopik (görünür) ancak yine de atomik olarak hassas ürünler oluşturmak için çeşitli boyutlarda mekanizmalar konumlandırılarak birleştirilecekti.

Tipik bir nano fabrikası, bir masaüstü kutusuna sığar. K. Eric Drexler yayınlanan Nanosistemler: Moleküler Makineler, İmalat ve Hesaplama (1992), "keşif mühendisliği ". 1990'larda, diğerleri nano fabrikasyon konseptini genişletti, nano fabrikada yakınsak montajın bir analizi Ralph Merkle, kopyalayan bir nano fabrikanın sistem tasarımı J. Storrs Salonu, Forrest Bishop's "Universal Assembler", patentli üstel montaj işlemi Zyvex ve Chris Phoenix (Sorumlu Nanoteknoloji Merkezinde Araştırma Direktörü) tarafından "ilkel bir nano fabrika" için üst düzey bir sistem tasarımı. Tüm bu nano fabrika tasarımları (ve daha fazlası) Bölüm 4'te özetlenmiştir. Kinematik Kendi Kendini Kopyalayan Makineler (2004) tarafından Robert Freitas ve Ralph Merkle. Nanofaktör İşbirliği,[9] Freitas ve Merkle tarafından 2000 yılında kurulan, pratik bir araştırma gündemi geliştiren, 10 kuruluştan ve 4 ülkeden 23 araştırmacının katıldığı, odaklanmış, sürekli bir çabadır[10] özellikle konum kontrollü elmas mekanosentezi ve diamondoid nanofaktor geliştirmeyi amaçlamaktadır.

2005 yılında, Drexler ile işbirliği içinde John Burch tarafından nano fabrika konseptinin bilgisayar animasyonlu bir kısa filmi üretildi. Bu tür vizyonlar, çeşitli entelektüel düzeyde birçok tartışmanın konusu olmuştur. Altta yatan teorilerde kimse aşılmaz bir problem keşfetmedi ve hiç kimse teorilerin uygulamaya dönüştürülebileceğini kanıtlamadı. Bununla birlikte, tartışma devam ediyor ve bir kısmı aşağıda özetleniyor. moleküler nanoteknoloji makale.

Nano fabrikalar inşa edilebilirse, Dünya Ekonomisi Herkesin böyle nano fabrikaları olsaydı, bu bozulmanın çok az olumsuz etkisi olacağı iddia edilebilirse de, birçok olası olumsuz etkiden biri olurdu. Ayrıca büyük faydalar da beklenecektir. Çeşitli eserleri bilimkurgu bu ve benzeri kavramları keşfetmiştir. Bu tür cihazların potansiyeli, liderliğindeki büyük bir Birleşik Krallık çalışmasının görevinin bir parçasıydı. makine Mühendisliği profesör Dame Ann Dowling.

Kendini çoğaltma

"Moleküler birleştiriciler", kendi kendini kopyalayan makinelerle karıştırılmıştır. İstenilen bir ürünün pratik bir miktarını üretmek için, tipik bir bilim kurgu evrensel moleküler birleştiricinin nano ölçekli boyutu, bu türden çok sayıda cihaz gerektirir. Bununla birlikte, böyle tek bir teorik moleküler birleştirici, kendini kopyalayan, kendisinin birçok kopyasını oluşturuyor. Bu, üssel bir üretim oranına izin verecektir. Yeterli miktarlarda moleküler birleştiriciler mevcut olduktan sonra, bunlar istenen ürünün üretimi için yeniden programlanacaktı. Bununla birlikte, moleküler birleştiricilerin kendi kendini kopyalaması kısıtlanmadıysa, doğal olarak oluşan organizmalarla rekabete yol açabilir. Bu çağrıldı ekofaji ya da gri yapışkan sorun.[11]

Moleküler birleştiriciler oluşturmanın bir yöntemi, biyolojik sistemler tarafından kullanılan evrimsel süreçleri taklit etmektir. Biyolojik evrim, daha az başarılı varyantların ayıklanması ve daha başarılı varyantların yeniden üretilmesiyle birlikte rastgele varyasyonla ilerler. Karmaşık moleküler birleştiricilerin üretimi, "A" dan beri daha basit sistemlerden geliştirilebilir. Kompleks sistem işlerin her zaman işe yarayan basit bir sistemden evrimleştiği görülür. . . . Sıfırdan tasarlanmış karmaşık bir sistem asla çalışmaz ve çalışmasını sağlamak için yamalanamaz. Çalışan bir sistemle başlayarak yeniden başlamalısınız. "[12] Bununla birlikte, yayınlanmış güvenlik kurallarının çoğu "hayatta kalan mutasyona veya evrim geçirmeye izin veren replikatör tasarımlarının geliştirilmesine karşı tavsiyeler" içerir.[13]

Çoğu derleyici tasarımı, "kaynak kodunu" fiziksel derleyicinin dışında tutar. Bir üretim sürecinin her aşamasında, bu adım sıradan bir bilgisayar dosyasından okunur ve tüm montajcılara "yayınlanır". Herhangi bir montajcı bu bilgisayarın menzilinden çıkarsa veya bu bilgisayar ile montajcılar arasındaki bağlantı koptuğunda, veya bu bilgisayar fişten çekildiğinde, montajcılar kopyalamayı durdurur. Böyle bir "yayın mimarisi", "Moleküler Nanoteknoloji Öngörü Kılavuzu" tarafından önerilen güvenlik özelliklerinden biridir ve 137 boyutlu çoğaltıcı tasarım alanının bir haritasıdır.[14] Kısa süre önce Freitas ve Merkle tarafından yayınlanan, kopyalayıcıların iyi tasarımla güvenli bir şekilde kontrol edilebileceği çok sayıda pratik yöntem sağlar.

Drexler ve Smalley tartışması

Ana makale: Drexler-Smalley moleküler nanoteknoloji tartışması

"Moleküler birleştiriciler" in bazı kavramlarının en açık sözlü eleştirmenlerinden biri Profesördü Richard Smalley (1943–2005) kim kazandı Nobel Ödülü alanına katkılarından dolayı nanoteknoloji. Smalley, bu tür montajcıların fiziksel olarak mümkün olmadığına inanıyor ve onlara bilimsel itirazlar getiriyordu. Onun iki temel teknik itirazı "şişman parmak sorunu" ve "yapışkan parmak sorunu" olarak adlandırıldı. Bunların, tek tek atomların hassas bir şekilde seçilmesi ve yerleştirilmesiyle çalışan "moleküler birleştiriciler" olasılığını ortadan kaldıracağına inanıyordu. Drexler ve çalışma arkadaşları bu iki soruna yanıt verdi[15] 2001 yayınında.

Smalley ayrıca Drexler'in kendi kendini kopyalayan makinelerin "moleküler birleştiriciler" ile eş tutulan kıyamet tehlikeleri hakkındaki spekülasyonlarının, nanoteknolojinin geliştirilmesi için halk desteğini tehdit edeceğine inanıyordu. Drexler ve Smalley arasındaki moleküler birleştiricilerle ilgili tartışmayı ele almak için Kimya ve Mühendislik Haberleri konuları ele alan bir mektup alışverişinden oluşan bir karşı nokta yayınladı.[3]

Yönetmelik

"Moleküler birleştiriciler" olarak adlandırılan sistemlerin gücüne dair spekülasyonlar, nanoteknolojinin anlamı üzerine daha geniş bir politik tartışmayı ateşledi. Bu kısmen, nanoteknolojinin çok geniş bir terim olması ve "moleküler birleştiricileri" içerebilmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Fantastik moleküler birleştiricilerin olası sonuçlarının tartışılması, mevcut ve gelecekteki nanoteknolojinin düzenlenmesi için çağrılara yol açtı. Üretilen ürünlere entegre edilmekte olan nanoteknolojinin potansiyel sağlık ve ekolojik etkileri konusunda çok gerçek endişeler var. Yeşil Barış örneğin, nanoteknoloji ile ilgili olarak, çevreye eklenen nanomalzemelerin toksisitesiyle ilgili endişelerini ifade ettikleri bir rapor hazırladı.[16] Ancak, yalnızca "assembler" teknolojisine geçiş referansları yapar. Birleşik Krallık Kraliyet toplumu ve Kraliyet Mühendislik Akademisi ayrıca "Nanobilim ve nanoteknolojiler: fırsatlar ve belirsizlikler" başlıklı bir rapor hazırladı[17] nanoteknoloji üzerindeki daha büyük sosyal ve ekolojik sonuçlarla ilgili olarak. Bu rapor, potansiyel sözde "moleküler birleştiriciler" tarafından oluşturulan tehdidi tartışmamaktadır.

Resmi bilimsel inceleme

2006 yılında ABD Ulusal Bilimler Akademisi, daha uzun bir raporun parçası olarak moleküler üretim çalışmasının raporunu yayınladı. Bir Boyut Meselesi: Ulusal Nanoteknoloji Girişimi'nin Üç Yıllık İncelemesi[18] Çalışma komitesi aşağıdakilerin teknik içeriğini gözden geçirdi: Nanosistemlerve sonuç kısmında, potansiyel sistem performansıyla ilgili birkaç soruya ilişkin mevcut teorik analizlerin kesin olarak kabul edilemeyeceğini ve yüksek performanslı sistemleri uygulamak için en uygun yolların güvenle tahmin edilemeyeceğini belirtmektedir. Bu alandaki bilgileri ilerletmek için deneysel araştırmalar önerir:

"Bugün teorik hesaplamalar yapılabilmesine rağmen, nihai olarak elde edilebilen kimyasal reaksiyon döngüleri, hata oranları, işlem hızı ve termodinamik verimler Bu tür aşağıdan yukarıya üretim sistemlerinin sayısı şu anda güvenilir bir şekilde tahmin edilemez. Dolayısıyla, üretilen ürünlerin nihayetinde elde edilebilecek mükemmelliği ve karmaşıklığı, teoride hesaplanabilirken, güvenle tahmin edilemez. Son olarak, büyük ölçüde sistemlere yol açabilecek optimum araştırma yolları termodinamik verimleri aşmak ve biyolojik sistemlerin diğer yetenekleri şu anda güvenilir bir şekilde tahmin edilemez. Araştırmacıların soyut modellere bağlanan ve uzun vadeli vizyona rehberlik eden deneysel gösteriler üretme becerisine dayanan araştırma fonu, bu hedefe ulaşmak için en uygun olanıdır. "

Gri yapışkan

Ana makale: Gri yapışkan

Öngörülen potansiyel bir senaryo, kontrol dışı, kendi kendini kopyalayan moleküler birleştiricilerdir. gri yapışkan kopyalamaya devam etmek için karbon tüketen. Kontrol edilmezse, bu tür mekanik çoğaltma potansiyel olarak tüm Ekolojik bölgeler veya tüm Dünya (ekofaji ) veya basitçe doğal yaşam biçimlerini aşarak gerekli kaynaklar için örneğin karbon, ATP veya UV ışık (bazıları nanomotor örnekler devam ediyor). Ancak ekofaji ve sentetik moleküler birleştiriciler gibi "gri yapışkan" senaryoları, henüz deneysel olarak gösterilmemiş olan hala varsayımsal teknolojilere dayanmaktadır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ "Üretken Nanosistemler: Bir Teknoloji Yol Haritası" (PDF). Öngörü Enstitüsü.
  2. ^ "Web'deki Bağışlar". Arşivlenen orijinal 4 Kasım 2011.
  3. ^ a b "C & En: Kapak Hikayesi - Nanoteknoloji".
  4. ^ Lewandowski, Bartosz; De Bo, Guillaume; Ward, John W .; Papmeyer, Marcus; Kuschel, Sonja; Aldegunde, María J .; Gramlich, Philipp M. E .; Heckmann, Dominik; Goldup, Stephen M. (2013-01-11). "Yapay Küçük Molekül Makinesi ile Diziye Özgü Peptit Sentezi". Bilim. 339 (6116): 189–193. doi:10.1126 / science.1229753. ISSN  0036-8075. PMID  23307739.
  5. ^ De Bo, Guillaume; Gall, Malcolm A. Y .; Kuschel, Sonja; Kış, Julien De; Gerbaux, Pascal; Leigh, David A. (2018/04/02). "Asimetrik bir katalizör oluşturan yapay bir moleküler makine". Doğa Nanoteknolojisi. 13 (5): 381–385. doi:10.1038 / s41565-018-0105-3. ISSN  1748-3395. PMID  29610529.
  6. ^ Li, J .; Ballmer, S. G .; Gillis, E. P .; Fujii, S .; Schmidt, M. J .; Palazzolo, A.M.E .; Lehmann, J. W .; Morehouse, G. F .; Burke, M.D. (2015). "Tek bir otomatik işlem kullanılarak birçok farklı organik küçük molekülün sentezi". Bilim. 347 (6227): 1221–1226. doi:10.1126 / science.aaa5414. PMC  4687482. PMID  25766227.
  7. ^ Kassem, S .; Lee, A. T. L ..; Leigh, D. A.; Marcos, V .; Palmer, L.I .; Pisano, S. (2017). "Programlanabilir bir moleküler makine ile stereodiverjan sentezi". Doğa. 549 (7672): 374–378. doi:10.1038 / nature23677. PMID  28933436.
  8. ^ Kelly, T. R .; Snapper, M.L. (2017). "Bir moleküler birleştirici". Doğa. 549 (7672): 336–337. doi:10.1038 / 549336a. PMID  28933435.
  9. ^ "Nanofaktör İşbirliği".
  10. ^ "Nanofaktör Teknik Zorlukları".
  11. ^ "Nanoteknoloji: Gray Goo Küçük Bir Sorun". Arşivlenen orijinal 2014-08-29 tarihinde. Alındı 2007-08-21.
  12. ^ Gall, John, (1986) Sistemantik: Sistemler Gerçekte Nasıl Çalışır ve Nasıl Başarısız Olurlar, 2. baskı. Ann Arbor, MI: Genel Sistemantik Basın.
  13. ^ "Moleküler Nanoteknoloji hakkında Öngörü Yönergeleri".
  14. ^ "Kinematik Kendi Kendini Kopyalayan Makineler".
  15. ^ "Institute for Molecular ManufacturingDebate About Assemblers - Smalley Rebuttal".
  16. ^ Geleceğin Teknolojileri, Bugünün Tercihleri Arşivlendi 2006-04-14 Wayback Makinesi Nanoteknoloji, Yapay Zeka ve Robotik; Gelişmekte olan teknolojilerin teknik, politik ve kurumsal bir haritası. Greenpeace Environmental Trust için bir rapor
  17. ^ "Nanobilim ve nanoteknolojiler: fırsatlar ve belirsizlikler". Arşivlenen orijinal 2018-07-03 tarihinde. Alındı 2006-06-16.
  18. ^ Konsey, Ulusal Araştırma; Bilimler, Mühendislik Fiziksel Bölümü; Ulusal Malzeme Danışmanlığı Kurulu; Girişimi, Ulusal Nanoteknolojiyi İnceleme Komitesi (2006). Büyüklük Meselesi: Ulusal Nanoteknoloji Girişimi Üç Yıllık İncelemesi - Ulusal Akademiler Basını. doi:10.17226/11752. ISBN  978-0-309-10223-0.

Dış bağlantılar