Det är en liten, liten, liten, liten värld

Materialens egenskaper beror på hur deras atomer är ordnade. Ordna om atomerna i kol och du får diamanter. Ordna om atomerna i jord, vatten och luft, och du har gräs. Och sedan människor först gjorde stenverktyg och flintknivar har vi manipulerat atomer i stora dånande statistiska flockar genom att gjuta, fräsa, slipa och flisa material. Vi arrangerar om atomerna i sand, till exempel lägger till en nypa föroreningar och vi producerar datachips. Vi har blivit bättre och bättre på det och kan göra fler saker till lägre kostnad och med större precision än någonsin tidigare.

Även i vårt mest exakta arbete flyttar vi runt atomer i enorma högar och stökiga högar - miljoner eller miljarder av dem åt gången. Teoretiska analyser gör det dock klart att vi borde kunna ordna om atomer och molekyler en efter en - med varje atom på precis rätt plats - på samma sätt som vi kan ordna legoklossar för att skapa en modellbyggnad eller enkel maskin. Denna teknik, ofta kallad nanoteknik eller molekylär tillverkning, kommer att göra det möjligt för oss att göra de flesta produkter lättare, starkare, smartare, billigare, renare och mer exakta.

Den här historien var en del av vårt februarinummer 1997

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Konsekvenserna skulle bli stora. Vi skulle till att börja med kunna fortsätta revolutionen inom datorhårdvara ända ner till växlar och kablar i molekylstorlek. Förmågan att bygga saker molekyl för molekyl skulle också låta oss göra en ny klass av strukturella material som skulle vara mer än 50 gånger starkare än stål med samma vikt: en Cadillac kan väga 100 pounds; en soffa i full storlek kunde plockas upp med en hand. Förmågan att bygga molekyl för molekyl skulle också kunna ge oss kirurgiska instrument av sådan precision och skicklighet att de skulle kunna operera på cellerna och till och med molekyler som vi är gjorda av.

Möjligheten att tillverka sådana produkter ligger förmodligen några decennier bort. Men teoretiska och beräkningsmodeller ger försäkringar om att de molekylära tillverkningssystem som behövs för uppgiften är möjliga - att de inte bryter mot befintlig fysisk lag. Dessa modeller ger oss också en känsla för hur ett molekylärt tillverkningssystem kan se ut. Detta är en viktig grund: trots allt var grundidén med ett elektriskt relä känd på 1820-talet, och konceptet med en mekanisk dator som styrde en lagrad uppsättning instruktioner - ett program - förstods några år senare. Men datorer som använder reläer byggdes inte förrän långt senare eftersom det inte fanns någon bra teoretisk förståelse av beräkningar. Idag utarbetar forskare många verktyg och tekniker som kommer att behövas för att omvandla nanoteknik från datormodeller till verklighet. Medan de flesta förblir inom teorins område, verkar det inte finnas några grundläggande hinder för deras utveckling.

En Nano Tool Kista

Föreställ dig att du lägger några ledningar, transistorer och andra elektroniska komponenter i en påse, skakar den och drar ut en radiomonterad och redo att fungera. Även om detta låter fantasifullt, är en sådan anmärkningsvärd självmontering i huvudsak vad kemister gör när de syntetiserar material. Genom att blanda lösningar i en bägare låter en kemist de inneboende attraktionerna och repulsionerna hos vissa molekyler och atomer ta över. En konst och vetenskap har utvecklats för att ordna förhållanden så att atomer spontant samlas till särskilda molekylära strukturer.

På samma sätt är vi omgivna och inspirerade av produkter som är fantastiskt komplexa och ändå väldigt billiga. Potatis består till exempel av tiotusentals gener och proteiner och invecklade molekylära maskiner; ändå tänker vi ingenting på att äta detta biologis mirakel, mosat med lite smör. Potatis, tillsammans med många andra jordbruksprodukter, kostar mindre än en dollar per pund. Den viktigaste orsaken: om den förses med lite jord, vatten, luft och solljus kan en potatis göra mer potatis. På samma sätt, om vi kunde göra en programmerbar tillverkningsenhet för allmänt bruk som kunde göra kopior av sig själv - vad nanoteknikforskare kallar en assembler - då skulle tillverkningskostnaderna för både enheten och allt den tillverkade kunna hållas låga.

En grundläggande princip vid självmontering är selektiv klibbighet. Om två molekylära delar har komplementära former och laddningsmönster - det vill säga den ena har en hålighet där den andra har en bula, eller en har en positiv laddning där den andra har en negativ laddning - då tenderar de att hålla ihop på ett speciellt sätt att utgöra en större del. Denna större del kan kombineras på samma sätt med andra delar så att en komplex helhet uppstår från molekylära bitar.

Självmontering räcker dock inte i sig för att göra det breda utbud av produkter som nanotekniken lovar. Om delarna är urskillningslöst klibbiga, till exempel, då omrörning av dem skulle ge smutsiga blobbar istället för exakta molekylära maskiner. Vi kan lösa detta problem genom att hålla de molekylära delarna i rätt position och orientering så att de när de rör vid varandra kommer att förenas på det sätt vi vill att de ska göra. I den makroskopiska skalan går tanken att vi kan hålla delar i våra händer och montera dem genom att placera dem korrekt i förhållande till varandra tillbaka till förhistorien: vi hyllar oss själva som den verktygsanvändande arten. Men tanken på att hålla och positionera molekyler är ny och nästan chockerande. Motsvarigheter i nanoskala av armar och händer måste utvecklas.

Aktuella förslag för positionsanordningar i molekylär skala liknar normalstora robotanordningar, men de är ungefär en tiomiljondel så stora. En molekylär robotarm kunde svepa systematiskt fram och tillbaka, lägga till och dra tillbaka atomer från en yta för att bygga vilken struktur som helst som datorn instruerade den att. En sådan arm, som består av några miljoner atomer, kan vara 100 nanometer lång och 30 nanometer runt. Även om den skulle ha ungefär 100 rörliga delar, skulle den inte använda några smörjmedel - i den här skalan är en smörjmedelsmolekyl mer som en bit grus. Sådana ultraminiatyrverktyg bör kunna placera sina spetsar inom en liten bråkdel av en atomär diameter. Biljoner sådana anordningar skulle uppta lite mer än några kubikmillimeter (en fläck något större än ett knappnålshuvud).

Molekylära armar skulle drabbas av något vi inte oroar oss för i makroskopisk skala: termiskt brus. Atomer och molekyler är i ett konstant tillstånd av vickling och vickling; ju högre temperatur, desto kraftigare rörelse. För att behålla sin position måste därför en arm i nanoskala vara extremt styv.

Det styvare materialet runt omkring är diamant. Styrkan och lättheten hos ett material beror på antalet och styrkan hos de bindningar som håller samman dess atomer, och på atomernas lätthet. Det grundämne som bäst passar båda kriterierna är kol, som är lätt och bildar starkare bindningar än någon annan atom. Kol-kolbindningen är särskilt stark; varje kolatom kan binda till fyra angränsande atomer. I diamant skapar alltså ett tätt nätverk av starka bindningar ett starkt, lätt och styvt material. I själva verket, precis som vi döpte stenåldern, bronsåldern och stålåldern efter de material som människor kunde tillverka, kan vi kalla den nya tekniska epok vi går in i diamantåldern.

Hur kan en diamantanordning av denna skala tillverkas? Ett svar kommer från att titta på hur vi odlar diamant idag. I en process som lite påminner om spraymålning bygger vi upp lager efter lager av diamant genom att hålla en yta i ett moln av reaktiva väteatomer och kolvätemolekyler. När dessa molekyler stöter mot ytan ändrar de den, antingen genom att lägga till, ta bort eller omordna atomer. Genom att noggrant kontrollera trycket, temperaturen och den exakta sammansättningen av gasen i denna process, som kallas kemisk ångdeposition (CVD), kan vi skapa förhållanden som gynnar tillväxten av diamant på ytan.

Men att slumpmässigt bombardera en yta med reaktiva molekyler ger inte fin kontroll över tillväxtprocessen; det är som att försöka bygga ett armbandsur med en sandbläster. Vi vill att de kemiska reaktionerna ska ske på exakt de platser på ytan som vi anger. Ett andra problem är hur man gör diamantytan reaktiv på de särskilda ställen där vi vill lägga till ytterligare en atom eller molekyl. En diamantyta är normalt täckt med ett lager av väteatomer. Utan detta lager skulle den råa diamantytan vara mycket reaktiv eftersom den skulle vara översållad med kolatomernas oanvända (eller dinglande) bindningar. Även om hydrering förhindrar oönskade reaktioner, gör den också hela ytan inert, vilket gör det svårt att tillsätta kol (eller något annat) till den.

För att övervinna detta problem skulle vi kunna använda en uppsättning verktyg i molekylär skala som i en serie steg skulle förbereda ytan och skapa strukturer på lagret av diamant, atom för atom och molekyl för molekyl. Det första steget i processen skulle vara att avlägsna en väteatom från en specifik plats på diamantytan och lämna efter sig en reaktiv hängande bindning. Detta kan göras med ett verktyg för väteabstraktion - en molekylstruktur som har en hög kemisk affinitet för väte i ena änden men är inert på andra ställen. Verktygets oreaktiva område fungerar som ett slags handtag. Verktyget skulle hållas av en molekylär positionsanordning, såsom den molekylära robotarmen som diskuterades tidigare, och flyttas direkt över särskilda väteatomer på ytan vi vill abstrahera.

Detta skapar ett kyckling-och-ägg-problem: vi behöver en molekylär robotarm för att bygga en annan molekylär robotarm. För att lösa detta problem måste vi någon gång bygga en molekylär robotarm med något annat än en molekylär robotarm. Vi skulle till exempel kunna använda en makroskopisk positionsanordning - som en förbättrad version av ett befintligt atomkraftsmikroskop - för att göra vår första molekylära robotarm. Alternativt kan vi självmontera en förenklad molekylär positionsanordning. Dessa första råa positionsanordningar kunde sedan användas för att göra bättre.

En lämplig molekyl för ett verktyg för väteabstraktion är acetylenradikalen - två kolatomer som är trippelbundna tillsammans. Ett kol skulle vara handtaget och skulle länka till ett positioneringsverktyg i nanoskala. Det andra kolet har en hängande bindning där en väteatom skulle finnas i vanlig acetylen. Miljön runt verktyget skulle vara inert (typiska förslag innebär användning av antingen vakuum eller en ädelgas, såsom krypton eller xenon).

När detta verktyg har skapat en reaktiv fläck genom att selektivt avlägsna väteatomer från diamantytan, blir det möjligt att avsätta kolatomer på de önskade platserna. På så sätt byggs en diamantstruktur, molekyl för molekyl, enligt plan. Ett förslag för denna funktion är dimeravsättningsverktyget. En dimer är en molekyl som består av två av samma atomer eller molekyler som sitter ihop. I detta fall skulle dimeren vara C2-två kolatomer förbundna med en trippelbindning. I deponeringsverktyget skulle varje kol i dimeren vara kopplat till en större molekyl genom enkelbindningar med syreatomer.

Väteabstraktionsverktyget och dimeravsättningsverktyget skulle fungera tillsammans (se illustrationen ovan). Först skulle abstraktionsverktyget ta bort två intilliggande väteatomer från diamantytan. De två dinglande bindningarna skulle reagera med ändarna av koldimeren. Denna reaktion skulle bryta kol-syrebindningarna och sedan överföra koldimeren från verktyget till ytan. Eftersom energin som frigörs under reaktionen är mycket större än termiskt brus, kommer dimeren att snäppa fast på ytan och stanna där.

Ett tredje föreslaget verktyg för att göra nanostrukturer är karbeninsättningsverktyget. Karbener - mycket reaktiva kolatomer med två hängande bindningar - kommer att reagera med (och lägga till en kolatom till) många molekylära strukturer. Karbener kommer lätt att infogas i dubbel- eller trippelbindningar, som bindningen i kol-koldimeren som beskrivs ovan. En positionsstyrd karben kunde fästas nästan var som helst på ett växande molekylärt arbetsstycke, vilket leder till konstruktionen av praktiskt taget vilken önskad form som helst.

Ett fjärde förslag är ett verktyg för deponering av väte. Där väteabstraktionsverktyget är avsett att göra en inert struktur reaktiv genom att skapa en hängande bindning, skulle väteavsättningsverktyget göra motsatsen: göra en reaktiv struktur inert genom att avsluta hängande bindningar. Ett sådant verktyg skulle låta oss stabilisera reaktiva ytor och förhindra att ytatomerna ordnas om på oväntade och oönskade sätt. Nyckelkravet för ett sådant verktyg är att det innehåller en svagt fäst väteatom. Även om många molekyler passar in på den beskrivningen, är bindningen mellan väte och tenn särskilt svag; sålunda bör ett tennbaserat vätedeponeringsverktyg vara effektivt.

Dessa fyra molekylära verktyg borde göra det möjligt för oss att göra ett brett utbud av styva strukturer - men bara de som är sammansatta av väte och kol. Detta är ett mycket mindre ambitiöst mål än att försöka använda alla 100 eller så element i det periodiska systemet. Men i utbyte mot att vi begränsar oss till denna mer begränsade klass av strukturer, gör vi det mycket lättare att analysera de som kan tillverkas och de syntetiska reaktioner som behövs för att göra dem. I vilket fall som helst kan detta snävare förslag undersökas lättare och mer ingående än full nanoteknik. Och diamant och dess splittringssäkra varianter faller inom denna kategori, liksom fullerenskivorna av kolatomer rullade till sfärer, rör och andra former. Dessa material kan bestå av alla delar som behövs för grundläggande mekaniska enheter som fjäderben, lager, växlar och robotarmar.

I slutändan skulle vi vilja lägga till andra element - för att skapa elektroniska diamantanordningar, till exempel, eller lägga till lite kväve till den inre ytan av ett lager för att lindra påfrestningar (kol-kvävebindningen är längre än kol-kolbindningen) . Sådana strukturer, som huvudsakligen består av kol och väte i kombination med kväve, syre, fluor, kisel, fosfor, svavel eller klor, utgör vad vi kallar klassen av diamantformade material.

Diamantåldern

Naturlig diamant är dyr, vi kan inte göra den i de former vi vill ha, och den splittras. Nanoteknik kommer att låta oss göra splittringssäker diamant billigt (med en struktur som kan likna diamantfibrer) i exakt de former vi vill ha. Detta skulle låta oss tillverka en Boeing 747 som skulle väga en femtiodel av dagens versioner utan några uppoffringar i styrka. Nyttan för rymdresor skulle också vara dramatisk. Styrka-till-vikt-förhållandet och kostnaden för komponenter är avgörande för prestanda och ekonomi för rymdskepp: nanoteknik skulle kunna förbättra båda dessa parametrar med ungefär två storleksordningar.

Nanoteknik kan också radikalt förändra energiproduktionens ekonomi. Solen skulle kunna ge storleksordningar mer kraft än vad människor nu använder - och göra det renare och billigare än fossila bränslen och kärnreaktorer - om vi bara kunde tillverka billiga solceller och batterier. Vi vet redan hur man gör effektiva solceller: nanoteknik kan sänka kostnaderna och äntligen göra solenergi ekonomiskt. I denna applikation behöver vi inte göra nya eller tekniskt överlägsna enheter; bara genom att göra billigt vad vi redan vet hur man gör dyrt skulle vi flytta solenergi till mainstream.

Tillverkningen av datorchips kan genomgå en djupgående förändring. Det verkar finnas grundläggande gränser för hur mycket ytterligare vi kan förbättra litografin, den process genom vilken chips nu tillverkas. I litografi (bokstavligen stenskrift) ritar vi fina linjer på en kiselwafer med hjälp av metoder lånade från fotografi. En ljuskänslig film, kallad resist, sprids över kiselskivan. Resisten utsätts för ett komplext mönster av ljus och mörker, som ett negativ i en kamera, och utvecklas. Genom att upprepa denna process kan en intrikat uppsättning sammankopplande mönster skapas som definierar de komplexa logiska elementen i ett datorchip.

Men att ordna atomer genom att kasta fotoner (eller andra partiklar) på en yta på avstånd verkar inte vara den bästa metoden, särskilt om vi vill använda tre dimensioner istället för bara två; tänk dig att bygga en bil genom att kasta verktyg på den på mer än en mils avstånd. Så om förbättringar av datorhårdvara ska fortsätta i nuvarande takt måste vi om ett decennium eller så gå bortom litografi till någon ny tillverkningsteknik. Design för datorlogiska element som består av färre än 1 000 atomer har redan föreslagits - men varje atom i en så liten enhet måste vara på exakt rätt plats. Och att spraya runt kemikalier kan helt enkelt inte ordna atomer med den precision som behövs.

Lyckligtvis är diamant ett utmärkt elektroniskt material. Den överträffar kisel i flera viktiga avseenden. Dels rör sig elektroner snabbare i diamant än i kisel. Diamant kan också fungera bättre än kisel vid höga temperaturer. Detta är viktigt eftersom chips blir snabbare och snabbare, deras prestanda begränsas av behovet av att avleda värmen som byggs upp i kretsen.

Diamant har denna fördel av två skäl. För det första har diamant högre värmeledningsförmåga än kisel, vilket gör att värmen kan flyttas ut ur en diamanttransistor snabbare. För det andra har diamant ett större bandgap än kisel-5,5 elektronvolt, i motsats till 1,1 elektronvolt i kisel. Bandgapet är den minsta mängd energi som krävs för att förstärka en elektron från dess relativt orörliga tillstånd till halvledarens ledningsband, där elektronen rör sig fritt under påverkan av en spänning. När temperaturen ökar får fler elektroner den energi som behövs för att hoppa in i ledningsbandet. När för många elektroner gör detta ändras enheten från en halvledare till en ledare; transistorn kortsluts och slutar fungera. Diamonds högre bandgap betyder att den kortar ut vid en högre temperatur.

Med nanoteknik borde vi kunna bygga masslagringsenheter som kan lagra mer än 100 miljarder miljarder byte i en volym lika stor som en sockerbit, och massivt parallella datorer av samma storlek som kan leverera en miljard miljarder instruktioner per sekund-a miljarder gånger mer än dagens stationära datorer.

Tillgängligheten av enheter i nanoskala kan också radikalt omdefiniera kirurgi. Det finns idag en grundläggande obalans mellan vad som behövs för att behandla skador och våra verktygs kapacitet. Det cellulära och molekylära maskineriet i vår vävnad är litet och exakt, men dagens skalpeller är, sett av en cell, råa lie som sliter genom vävnad och lämnar döda och lemlästade celler i deras spår. Den enda anledningen till att modern kirurgi fungerar är den anmärkningsvärda förmågan hos celler att omgruppera, begrava sina döda och läka över såret.

Kirurgiska verktyg som är molekylära i både storlek och precision bör låta oss direkt läka, på molekylär och cellulär nivå, de skador som orsakar sjukdom. En molekylär robotarm som är mindre än 100 nanometer lång, till exempel, skulle lätt passa in i cirkulationssystemet (en enda röd blodkropp är cirka 8 000 nanometer i diameter) och skulle till och med kunna klämmas in i enskilda celler.

En ansökan skulle vara i cancerterapi. Vi skulle kunna designa en liten enhet som kan identifiera och döda cancerceller. Enheten, som skulle inkludera en dator i nanoskala och flera bindningsställen som är formade för att passa specifika molekyler, skulle cirkulera fritt i hela kroppen och regelbundet ta prover från dess miljö genom att avgöra om dess bindningsställen var upptagna. Ju oftare ett ställe var ockuperat, desto högre koncentration av molekylen som platsen var designad för. En nanoenhet med ett dussin olika typer av bindningsställen skulle på så sätt kunna övervaka koncentrationerna av ett dussin olika typer av molekyler som förekommer normalt i kroppen men vars koncentrationer i förhållande till varandra förändras när cancer förekommer. Datorn kunde avgöra om profilen av koncentrationer passar en förprogrammerad profil och skulle, när en cancerprofil påträffades, släppa ut ett gift som selektivt dödar cancercellerna.

Varje enhet skulle kunna inkludera en nanoskala trycksensor som skulle göra det möjligt för cancerdödaren att ta emot instruktioner genom ultraljudssignaler i megahertzområdet. Genom att lyssna på flera makroskopiska akustiska signalkällor kan enheten bestämma sin plats i kroppen på samma sätt som en radiomottagare på jorden kan använda sändningarna från flera satelliter för att bestämma sin position. Medvetenhet om sin egen plats i kroppen skulle hjälpa enheten att avgöra om den var nära cancern. I avsaknad av platsinformation kan det ibland av misstag släppa ut gift i en cell som verkade vara en cancercell. Om målet var att döda en tjocktarmscancer, till exempel, skulle en cancerdödare i stortån inte släppa ut sitt gift oavsett vad dess cancersensorer sa till den.

Hur kan vi komma dit?

De underbara förmågorna som beskrivs här är för det mesta teoretiska. Hur kan de göras verkliga? Hur kan vi bygga ett allmänt programmerbart tillverkningssystem med hjälp av mycket reaktiva, positionsstyrda verktyg som till ett billigt sätt kan tillverka de flesta diamantformade strukturer?

Omfattningen av denna utmaning bör inte underskattas. Nuvarande förslag för en assembler som kan tillverka diamantformade strukturer involverar hundratals miljoner eller miljarder atomer - utan att någon atom är på plats. Även en enkel robotarm, som kan bestå av bara några miljoner atomer, skulle behöva åtföljas av andra komponenter. Robotarmarna skulle arbeta i ett vakuum, till exempel, vilket dikterade behovet av ett skal runt armen för att upprätthålla det vakuumet. Andra extra prylar som kommer att behövas inkluderar akustiska mottagare, datorer, tryckmanövrerade spärrar och bindningsställen. Om varje operation, som väteabstraktion eller karbenavsättning, vanligtvis hanterar en eller ett fåtal atomer, måste felfrekvensen vara mindre än en på en miljard.

Även om sådan perfektion är teoretiskt möjlig, klarar inte dagens teknik uppgiften. En kemisk syntesprocess som kemister ser som mycket bra omvandlar 99 procent av reaktanterna till den önskade produkten. Ändå representerar den avkastningen på 99 procent en felfrekvens på en av 100, vilket är tio miljoner gånger mindre perfekt än vad vi önskar för en mogen nanoteknik. Syntesen av proteiner från aminosyror av ribosomer har en felfrekvens på kanske en på 10 000. DNA, genom att förlita sig på omfattande feldetektering och korrigering tillsammans med inbyggd redundans (molekylen har två komplementära strängar), uppnår en felfrekvens på ungefär en bas på en miljard när den replikerar sig själv.

Ingen befintlig teknik kan närma sig denna prestandanivå. En teknik som kan placera enskilda atomer, till exempel, är scanning probe microscope (SPM), där en vass spets förs ner till ytan av ett prov så att en signal genereras som låter oss kartlägga ytan som sonderas, som en blind person som knackar med en käpp för att känna av vägen framåt. Vissa SPM trycker bokstavligen på ytan och noterar hur hårt ytan trycker tillbaka. Andra kopplar ytan och sonden till en spänningskälla och mäter strömflödet när sonden kommer nära ytan. En mängd andra sond-yta-interaktioner kan mätas och används för att göra olika typer av SPM.

SPM kan inte bara kartlägga en yta utan kan ändra den avsättande enskilda atomer och molekyler i ett önskat mönster, till exempel. I ett väl omtalat fall arrangerade forskare 35 xenonatomer på en nickelyta för att bilda bokstäverna som identifierade deras arbetsgivare: IBM. Men denna SPM-manipulation krävde kylning till 4 grader över absolut noll - inte precis idealiska förhållanden för storskalig tillverkning. På senare tid har IBM-forskare arrangerat molekyler exakt vid rumstemperatur på en kopparyta. SPM:er har dock tillräckligt höga felfrekvenser för att de måste använda relativt sofistikerade feldetekterings- och korrigeringsmetoder. Och även om dessa system kan röra sig runt ett fåtal atomer eller molekyler, kan de inte tillverka stora mängder exakt strukturerad diamant av det slag som kan användas för att bygga en bil eller ett flygplan.

Slutligen är dagens SPM alldeles för långsamma. I naturen tar ribosomer tiotals millisekunder att lägga till en enda aminosyra till ett växande protein. Men om en montör ska tillverka en kopia av sig själv på ungefär ett dygn, och om detta tar några hundra miljoner operationer, måste varje operation ske på en bråkdel av en millisekund. En SPM, däremot, tar timmar att ordna några atomer eller molekyler. Istället för att försöka lösa alla dessa problem i ett enda stort steg, kan vi närma oss dem mer inkrementellt - genom att utveckla en serie mellanliggande system. Ett tillvägagångssätt skulle till exempel vara att eliminera kravet på att assemblern skulle vara gjord av diamantformade strukturer. Diamondoid är attraktiv, som vi har sett, på grund av dess styrka, styvhet och elektriska egenskaper. Men ett mellansystem behöver bara kunna göra ett mer avancerat system, och kanske produkter som är imponerande i jämförelse med dagens produkter. Det behöver inte vara diamondoid i sig.

Detta antyder vad som kan kallas byggblocksbaserad nanoteknik. Istället för att bygga diamant kommer vi att bygga något annat material från relativt stora molekylära enheter som består av tiotals, hundratals eller till och med tusentals atomer. Så stora byggstenar minskar antalet monteringssteg, så färre enhetsoperationer krävs och de behöver inte vara lika tillförlitliga. Lösliga byggstenar som bara fastnar på andra byggstenar, inte till lösningsmedlet eller låga koncentrationer av föroreningar, eliminerar behovet av att arbeta i vakuum.

När vi väljer sådana byggstenar har vi många val: någon av de många molekyler som kemister har syntetiserat, eller rimligen skulle kunna syntetisera, med de önskade egenskaperna. Varje molekylär byggsten bör ha minst tre platser där den kan länka till andra byggstenar. Enheter med två bindningsställen tyder på de polymerer som finns överallt i biologiska system, såsom DNA, RNA och proteiner. Byggstenar som har tre bindningsplatser gör utformningen av styva tredimensionella strukturer mycket enklare.

Sådana byggstenar skulle kunna kopplas till varandra genom att använda vilken som helst av en mängd olika välförstådda kemiska reaktioner. En särskilt attraktiv möjlighet är Diels-Alder-reaktionen, där en dien (ett kolväte med kol-kol dubbelbindning) kan fås att reagera med en specifik molekyl.

Svara på tvivlarna

Trots rimligheten i att utveckla nanoteknik finns det skeptiker. Deras kritik är dock dåligt informerad. Till exempel citerades kemisten David Jones, en Nature-krönikör, i Scientific American att konstruktionen av en molekylär assembler var dömd eftersom individuella atomer är otroligt rörliga och reaktiva. De kommer omedelbart att kombineras med omgivande luft, vatten, varandra, vätskan som stödjer montörerna eller montörerna själva.

Förslag som involverar reaktiva molekylära verktyg anger dock att miljön ska vara inert - antingen vakuum eller en ädelgas; det skulle inte finnas någon omgivande luft att reagera med. Och eftersom de molekylära verktygen är positionsstyrda, kommer de inte att reagera med varandra eller montören själv - av samma anledning som en het lödkolv inte reagerar med huden på den som använder den.

Jag får ofta frågan hur lång tid det kommer att ta innan vi kan tillverka molekylära datorer, innan billiga solcellsceller ger billig, ren solenergi, innan ultralätta rymdfarkoster dramatiskt sänker kostnaderna för utforskning av rymden. Det vetenskapligt korrekta svaret är: Jag vet inte. Men att titta på en teknik som nanoteknik kan förbättra - datoranvändning - ger ett perspektiv. Från elektromekaniska reläer till vakuumrör till transistorer till integrerade kretsar, vi har sett stadiga minskningar i storlek och kostnad för logiska element och stadiga ökningar i deras prestanda under de senaste 50 åren. Extrapolering av dessa trender tyder på att för att hårdvararevolutionen ska hålla sig enligt schemat kommer det att krävas utveckling av molekylär tillverkning omkring 2010 eller 2020.

Att extrapolera tidigare trender är naturligtvis en filosofiskt diskutabel metod för teknikprognoser. Även om ingen grundläggande naturlag hindrar oss från att utveckla nanoteknik enligt detta schema (eller ännu snabbare), finns det inte heller någon lag som säger att detta schema inte kommer att glida. Mycket värre, men sådana trender antyder att det finns ett bestämt schema - att nanoteknik oundvikligen kommer att dyka upp oavsett vad vi gör eller inte gör. Inget kunde vara längre från sanningen. Hur lång tid det tar att utveckla denna teknik beror väldigt mycket på vad vi gör. Om vi ​​driver det systematiskt kommer det att ske tidigare. Om vi ​​ignorerar det, eller helt enkelt hoppas att någon ska snubbla över det, kommer det att ta mycket längre tid. Lyckligtvis, genom att använda teoretiska, beräkningsmässiga och experimentella tillvägagångssätt tillsammans, kan vi nå målet snabbare och mer tillförlitligt än genom att använda någon enskild metod ensam. Precis som Boeing kan designa, bygga och flyga flygplan i en dator innan de tillverkas i den verkliga världen, kan vi göra detsamma för molekylär tillverkning. Vi kan snabbt eliminera de flesta tjuvstarter och återvändsgränder och snabbt fokusera på de bästa tillvägagångssätten.

Liksom den första mänskliga landningen på månen, Manhattanprojektet eller utvecklingen av den moderna datorn, kommer tillkomsten av molekylär tillverkning att kräva samordnade ansträngningar från många människor under många år. Hur lång tid tar det? Mycket beror på när vi börjar.

Dölj