Atomiskt exakt tillverkning

Atomically precise manufacturing (APM) är en tillämpning av nanoteknik där enskilda molekyler kan användas för att tillverka produkter på atomär nivå. Tekniken har för närvarande potential inom mycket tekniska områden som kvantdatorer , men om den kommersialiseras skulle den troligen ha stor inverkan inom alla tillverkningsområden. APM klassificeras som en disruptiv teknologi , eller en teknik som skapar stora förändringar i en befintlig bransch.

APM är för närvarande under utveckling, och ingen enkel metod för att manipulera enskilda atomer har upptäckts. Om framsteg görs som gör tekniken billig och effektiv kan APM kommersialiseras för storskalig användning. Som en störande teknik kunde APM först marknadsföras inom nischområden som nanomedicin och kvantdatorer innan den fick stor användning.

Fördelar med atomärt exakt tillverkning

Traditionella tillverkningsprocesser är huvudsakligen baserade på koncepten diskret tillverkning och processtillverkning . Atomiskt exakt tillverkning är mer exakt än traditionell tillverkning så har potentialen att tillåta nanoplasmoniska enheter inom området kvantberäkning och teknik, där små fel kan ha stora effekter på slutresultatet.

Potentiella applikationer

Miljö

Genom att arbeta på atomnivå kan tillverkningens effektivitet ökas avsevärt och avfallet kan minskas exponentiellt eftersom tillverkare kan ha nästan fullständig kontroll över varje aspekt av tillverkningsprocessen.

APM har också potentialen att hjälpa till med den utbredda implementeringen av förnybara energikällor. Till exempel har APM potentialen att kraftigt öka produktiviteten hos solcellssystem . För närvarande är solcellssystem (PV) för dyra för den mängd energi de producerar för att kunna användas som en primär metod för att generera energi för stora stadsområden. Förhoppningen är att APM ska tillåta att solcellssystem skapas av billigare, vanligare material och på sikt kunna fasa ut fossila bränslen som den primära formen av energiproduktion.

Dessutom skulle APM kunna göra system för avskiljning och lagring av koldioxid mer tillgängliga.

Kvantberäkning

För närvarande är kvantberäkningen begränsad eftersom kvantdatorer påverkas av en mängd olika problem som dekoherens (förlusten av en partikels kvantnatur) och under dessa förhållanden kan de kämpa för att utföra grundläggande funktioner korrekt. I vanliga datorer kan problem med dålig beräkning vanligtvis lösas genom att ge mer lagringsutrymme till datorn, men detta är för närvarande inte ett genomförbart alternativ för kvantdatorer. Lagringsenheten för kvantberäkning är en qubit (förkortning för en quantumbit) i motsats till en normal bit i standardberäkningar. Forskare måste vara mycket konservativa i sin tilldelning av qubits eftersom till skillnad från en typisk dator som rymmer hundratals miljarder bitar, har de bästa kvantdatorerna runt 50 qubits. Eftersom tillgången på informationslagring är så knapp, har forskare inte lyckats hitta ett sätt att dela upp qubits mellan felkorrigeringsprogram och själva beräkningen.

Med tillämpningen av APM hoppas forskarna kunna bygga kvantdatorer med större lagringsmoduler samt komponenter som kan bibehålla ett sammanhängande tillstånd på obestämd tid. När dessa begränsningar har passerats kan kvantdatorer börja se de kommersiella tillämpningarna.

Rumstemperatur supraledare

En supraledare i rumstemperatur är ett ämne som har egenskapen supraledning vid temperaturer som kan betraktas som "rumstemperaturer" (över 0°C). Rumstemperatursupraledare har varit en mycket eftertraktad teknik på grund av potentialen de har för att kraftigt öka energieffektiviteten. Vanligtvis kan supraledare endast fungera i kryogena miljöer och utvecklingen på en supraledare i rumstemperatur har misslyckats. Rapport om första rumstemperatur (15°C) supraledare H ₂ S + CH ₄ år 2020 är inte tillförlitlig ( indragen ).

För att skapa supraledare som kan fungera vid rumstemperaturer och tryck, vänder sig forskare till APM för att modifiera ämnen så att de beter sig annorlunda.

Metoder

Skannande tunnelmikroskop

En aktuell metod för att tillverka atomärt exakta (AP) varor är under utveckling där det finns en plan för att använda ett scanning tunneling microscope (STM) för att flytta enskilda atomer. Vanligtvis används en STM för att fotografera atomer och molekyler, men STM har omvandlats till maskiner med den precision som krävs för att positionera specifika atomer. De är dock inte tillräckligt effektiva för att användas i storskaliga tillverkningsprocesser. Det nuvarande målet är att utveckla designen av STM till den punkt där en stor grupp av dem kan tillverka varor i industriella miljöer.

För att ha flera avsökningstunnelmikroskop som fungerar tillsammans krävs en extrem nivå av koordination och exakthet. En stor precisionsnivå tillhandahålls av nanopositionerare (steg som positionerar mikroskopprover med en noggrannhet inom en nanometer) som möjliggör exakt positionering på x-, y- och z-axlarna. När nanopositionerarna är klara kan tillverkningsprocessen börja.

Det första steget i proceduren är att konstruera en serie koordinerade STM-tillverkningsanordningar som kan samarbeta effektivt och kan hantera produktionen av en stor produktvolym.

Efter detta kommer ett återkopplingsstyrt mikroelektromekaniskt system (MEMS) att implementeras i STM:erna som gör det möjligt för dem att fungera oberoende av mänsklig övervakning. Införandet av MEMS kommer att tillåta STM:erna att arbeta med allt från 100 till 1000 gånger högre hastighet än tidigare och med noggrannhet inom en nanometer, vilket möjliggör kommersiell användning.

Vätelitografi

Vätelitografi är en metod för APM som kretsar specifikt kring datalagring . Ett team av forskare vid University of Alberta har använt vätelitografi för att lagra data med en densitet på 1,2 petabit (150 000 gigabyte ) per kvadrattum , vilket gör denna form av datalagring ungefär 100 gånger så tät som en Blu-Ray- skiva. Tekniken fungerar genom att använda en STM för att flytta väteatomer på ett kiselsubstrat för att lagra information binärt som ettor och nollor . Närvaron av en väteatom på en plats betyder en etta och frånvaron av en väteatom på en annan plats betyder noll.

Den här tekniken representerar ett stort steg framåt från tidigare iterationer av högdensitetslagringsenheter som endast fungerade under ultraspecifika förhållanden som vid minusgrader eller i vakuum , vilket gör dem mycket opraktiska. Den nya lagringsmetoden som använder vätelitografi är stabil vid rumstemperatur och vid standardatmosfärstryck . Tekniken är också långvarig och kan lagra information i mer än ett halvt sekel .

Vätedepassiveringslitografi

Hydrogen depassivation litografi (HDL) är en variant av elektronstrålelitografi där spetsen på ett skanningstunnelmikroskop modifieras för att avge ett kallt fält som avfyrar en minimal stråle av elektroner mot ytan täckt med en film som är känslig för elektroner som kallas resist . av kisel. Elektronstrålen kan sedan manipuleras för att etsa mönster eller mönster på resisten. HDL utförs i vakuum med temperaturer från minusgrader till cirka 250°C. För närvarande kan HDL utföras i en av två former: upp till fem volts effekt för att skapa atomärt exakta mönster och ett 8-voltsläge med ett bredare effektområde. När en design har gjorts utvecklas resultatet genom desorptionsprocessen . Desorption är motsatsen till absorption där ett material separeras från en yta istället för att omslutas av den. I HDL är energin som frigörs när elektronerna träffar kiselresistens yta tillräcklig för att bryta den kemiska bindningen mellan kisel- och väteatomerna och väteatomen slutar desorberas.

Fem-voltsmetoden har en noggrannhet till avstånd på under en nanometer men är relativt ineffektiv. En modell som bevisar att denna metod är atomärt exakt har skapats som visas i formeln:

$i=KVe^{-2T_{d}{\sqrt {\left({\frac {2\phi m_{e}}{\ hbar }}\right)}}}$

där i är värdet på tunnelströmmen i nA ( nanoampere ), K är en konstant lika med 0,194, V är förspänningen mellan spetsen och provet, e är Eulers tal , $T_{d}$ är storleken på mikroskopets tunnelgap, Φ är höjden på den lokala barriären, $m_{e}$ är elektronmassan och $\hbar$ är Plancks konstant dividerad med ${ \displaystyle 2\pi }$ .

Kritik och kontroverser

En mängd olika farhågor har väckts om de potentiella riskerna den utbredda användningen av APM kan skapa.

Grå goo

APM skulle kunna bidra till domedagsscenariot för " gray goo " där självreplikerande molekylära assemblerare (maskiner som existerar i atomär skala) okontrollerbart skapar kopior av sig själva, och bildar en grå goo som förbrukar hela planeten som en resurs för att fortsätta replikeringen. Ett sådant scenario är dock extremt orealistiskt. Inte bara skulle dessa molekylära assemblers behöva byggas avsiktligt för funktionen att skapa grå smuts, utan att utveckla dessa assemblers skulle ta en extraordinär mängd resurser. Förutsatt att det till och med finns människor som skulle vilja se utrotningen av allt liv, har de sannolikt inte resurserna för att uppnå detta mål.

Ekonomisk

En annan viktig fråga med APM är den negativa effekten det kan ha på sysselsättningen. Till sin natur är APM ett mycket tekniskt komplext medium och kommer att kräva att högutbildade operatörer utförs. Oron är att om ekonomin går över till en som är starkt beroende av APM, kommer majoriteten av befolkningen inte att ha den nödvändiga utbildningen för att bli framgångsrik och fattigdomsgraden kommer att stiga.

Militarism

APM skulle kunna användas för att utveckla nya, destruktiva vapen och utlösa ännu ett globalt kallt krig . Genom att göra destruktiva vapen billigare kan länder mer benägna att också engagera sig i våld.

Övervakning och integritet

Regeringar och säkerhetsbyråer kan använda APM för att tillverka små kameror och andra spionprogram för att spionera på medborgare. Det finns farhågor om intrång i rättigheter som kan komma med denna typ av teknik.

Se även

• Drexler-Smalley debatt om molekylär nanoteknik
• Nanoteknik
• Molekylär maskin
• Molekylär assembler