Ini adalah Dunia Kecil, Kecil, Kecil, Kecil

Sifat-sifat bahan tergantung pada bagaimana atom mereka diatur. Atur ulang atom dalam batu bara dan Anda mendapatkan berlian. Mengatur ulang atom di tanah, air, dan udara, dan Anda memiliki rumput. Dan sejak manusia pertama kali membuat perkakas batu dan pisau batu, kita telah memanipulasi atom dalam kumpulan statistik yang sangat besar dengan cara casting, milling, grinding, dan chipping material. Kami mengatur ulang atom di pasir, misalnya, menambahkan sejumput kotoran, dan kami memproduksi chip komputer. Kami menjadi lebih baik dan lebih baik dalam hal itu, dan dapat membuat lebih banyak barang dengan biaya lebih rendah dan dengan presisi yang lebih baik daripada sebelumnya.



Bahkan dalam pekerjaan kami yang paling tepat, kami memindahkan atom-atom dalam tumpukan besar dan tumpukan yang tidak rapi—jutaan atau miliaran sekaligus. Analisis teoretis memperjelas, bagaimanapun, bahwa kita harus dapat mengatur ulang atom dan molekul satu per satu-dengan setiap atom di tempat yang tepat-sama seperti kita dapat mengatur balok Lego untuk membuat bangunan model atau mesin sederhana. Teknologi ini, sering disebut nanoteknologi atau manufaktur molekuler, akan memungkinkan kami membuat sebagian besar produk lebih ringan, lebih kuat, lebih cerdas, lebih murah, lebih bersih, dan lebih presisi.

Membuka Kunci Warisan Arsip Edison

Cerita ini adalah bagian dari edisi Februari 1997 kami





  • Lihat sisa masalah
  • Langganan

Konsekuensinya akan sangat bagus. Kita dapat, sebagai permulaan, melanjutkan revolusi dalam perangkat keras komputer hingga sakelar dan kabel berukuran molekul. Kemampuan untuk membangun molekul demi molekul juga memungkinkan kita membuat kelas baru bahan struktural yang akan lebih dari 50 kali lebih kuat daripada baja dengan berat yang sama: sebuah Cadillac mungkin memiliki berat 100 pon; sofa ukuran penuh dapat diangkat dengan satu tangan. Kemampuan untuk membangun molekul demi molekul juga dapat memberi kita instrumen bedah yang presisi dan cekatan sehingga mereka dapat beroperasi pada sel dan bahkan molekul dari mana kita dibuat.

Kemampuan untuk membuat produk semacam itu mungkin masih ada beberapa dekade lagi. Tetapi model teoretis dan komputasional memberikan jaminan bahwa sistem manufaktur molekuler yang diperlukan untuk tugas itu dimungkinkan—bahwa mereka tidak melanggar hukum fisika yang ada. Model-model ini juga memberi kita gambaran tentang seperti apa sistem manufaktur molekuler. Ini adalah fondasi penting: bagaimanapun, ide dasar relai listrik dikenal pada tahun 1820-an, dan konsep komputer mekanis yang mengoperasikan serangkaian instruksi yang tersimpan - sebuah program - dipahami beberapa tahun kemudian. Tetapi komputer yang menggunakan relai tidak dibangun sampai lama kemudian karena tidak ada pemahaman teoretis yang baik tentang komputasi. Saat ini, para ilmuwan sedang merancang berbagai alat dan teknik yang akan dibutuhkan untuk mengubah nanoteknologi dari model komputer menjadi kenyataan. Sementara sebagian besar tetap berada di ranah teori, tampaknya tidak ada hambatan mendasar bagi perkembangan mereka.

23 dan saya/mulai

Peti Alat Nano



Bayangkan memasukkan beberapa kabel, transistor, dan komponen elektronik lainnya ke dalam tas, mengocoknya, dan mengeluarkan radio yang telah dirakit sepenuhnya dan siap bekerja. Meskipun ini terdengar fantastis, perakitan mandiri yang luar biasa seperti itu, pada dasarnya, adalah apa yang dilakukan ahli kimia setiap kali mereka mensintesis bahan. Mencampur larutan dalam gelas kimia, seorang ahli kimia membiarkan gaya tarik intrinsik dan gaya tolak menolak molekul dan atom tertentu mengambil alih. Sebuah seni dan ilmu pengetahuan telah berkembang untuk mengatur kondisi sehingga atom secara spontan berkumpul menjadi struktur molekul tertentu.

Demikian pula, kita dikelilingi dan terinspirasi oleh produk-produk yang sangat kompleks namun sangat murah. Kentang, misalnya, terdiri dari puluhan ribu gen dan protein serta mesin molekuler yang rumit; namun kami tidak berpikir untuk memakan keajaiban biologi ini, yang dihaluskan dengan sedikit mentega. Kentang, bersama dengan banyak produk pertanian lainnya, harganya kurang dari satu dolar per pon. Alasan utamanya: jika diberi sedikit tanah, air, udara, dan sinar matahari, kentang bisa menghasilkan lebih banyak kentang. Demikian juga, jika kita dapat membuat perangkat manufaktur yang dapat diprogram untuk keperluan umum yang mampu membuat salinan dirinya sendiri—apa yang disebut oleh peneliti nanoteknologi sebagai assembler—maka biaya produksi untuk perangkat dan apa pun yang dibuatnya dapat dijaga tetap rendah.

Prinsip dasar dalam perakitan mandiri adalah kelengketan selektif. Jika dua bagian molekul memiliki bentuk dan pola muatan yang saling melengkapi-yaitu, yang satu memiliki rongga di mana yang lain memiliki tonjolan, atau satu memiliki muatan positif di mana yang lain memiliki muatan negatif-maka mereka akan cenderung saling menempel dengan cara tertentu. untuk membentuk bagian yang lebih besar. Bagian yang lebih besar ini dapat bergabung dengan cara yang sama dengan bagian lain sehingga keseluruhan kompleks muncul dari potongan-potongan molekul.

Perakitan sendiri tidak dengan sendirinya cukup, bagaimanapun, untuk membuat berbagai macam produk yang dijanjikan nanoteknologi. Jika bagian-bagiannya lengket tanpa pandang bulu, misalnya, maka mengaduknya bersama-sama akan menghasilkan gumpalan yang berantakan alih-alih mesin molekuler yang presisi. Kita dapat memecahkan masalah ini dengan menahan bagian-bagian molekul pada posisi dan orientasi yang tepat sehingga ketika mereka menyentuh mereka akan bergabung bersama seperti yang kita inginkan. Pada skala makroskopik, gagasan bahwa kita dapat memegang bagian-bagian di tangan kita dan merakitnya dengan memposisikannya dengan benar satu sama lain kembali ke prasejarah: kita merayakan diri kita sendiri sebagai spesies yang menggunakan alat. Tetapi gagasan memegang dan memposisikan molekul adalah hal baru dan hampir mengejutkan. Setara nano dari lengan dan tangan harus dikembangkan.



Proposal saat ini untuk perangkat posisi skala molekuler menyerupai perangkat robot berukuran normal, tetapi ukurannya sekitar sepersepuluh juta. Lengan robot molekuler dapat menyapu bolak-balik secara sistematis, menambahkan dan menarik atom dari permukaan untuk membangun struktur apa pun yang diinstruksikan oleh komputer. Lengan seperti itu, terdiri dari beberapa juta atom, mungkin memiliki panjang 100 nanometer dan sekitar 30 nanometer. Meskipun akan memiliki sekitar 100 bagian yang bergerak, itu tidak akan menggunakan pelumas-pada skala ini, molekul pelumas lebih seperti sepotong pasir. Alat ultraminiatur tersebut harus dapat memposisikan ujungnya dalam fraksi kecil dari diameter atom. Triliunan perangkat semacam itu akan menempati sedikit lebih dari beberapa milimeter kubik (setitik sedikit lebih besar dari kepala peniti).

Lengan molekuler akan diterpa oleh sesuatu yang tidak kita khawatirkan pada skala makroskopik: kebisingan termal. Atom dan molekul berada dalam keadaan goyang dan goyang yang konstan; semakin tinggi suhu, semakin kuat gerakannya. Oleh karena itu, untuk mempertahankan posisinya, lengan skala nano harus sangat kaku.

Bahan paling kaku di sekitar adalah berlian. Kekuatan dan ringannya suatu bahan tergantung pada jumlah dan kekuatan ikatan yang menyatukan atom-atomnya, dan pada ringannya atom. Unsur yang paling sesuai dengan kedua kriteria tersebut adalah karbon, yang ringan dan membentuk ikatan yang lebih kuat daripada atom lainnya. Ikatan karbon-karbon sangat kuat; setiap atom karbon dapat berikatan dengan empat atom tetangga. Dalam berlian, kemudian, jaringan padat ikatan kuat menciptakan bahan yang kuat, ringan, dan kaku. Memang, sama seperti kita menamai Zaman Batu, Zaman Perunggu, dan Zaman Baja menurut bahan-bahan yang dapat dibuat manusia, kita mungkin menyebut zaman teknologi baru yang kita sedang memasuki Zaman Berlian.

Bagaimana perangkat berlian skala ini dapat diproduksi? Satu jawaban datang dari melihat bagaimana kita menanam berlian hari ini. Dalam proses yang agak mengingatkan pada lukisan semprot, kami membangun lapisan demi lapisan berlian dengan menahan permukaan di awan atom hidrogen reaktif dan molekul hidrokarbon. Ketika molekul-molekul ini menabrak permukaan, mereka mengubahnya, baik dengan menambahkan, menghilangkan, atau mengatur ulang atom. Dengan hati-hati mengontrol tekanan, suhu, dan komposisi yang tepat dari gas dalam proses ini, yang disebut deposisi uap kimia (CVD), kita dapat menciptakan kondisi yang mendukung pertumbuhan berlian di permukaan.

Tapi secara acak membombardir permukaan dengan molekul reaktif tidak menawarkan kontrol yang baik atas proses pertumbuhan; ini mirip dengan mencoba membuat jam tangan menggunakan sand blaster. Kami ingin reaksi kimia terjadi di tempat yang tepat di permukaan yang kami tentukan. Masalah kedua adalah bagaimana membuat permukaan intan menjadi reaktif pada titik tertentu di mana kita ingin menambahkan atom atau molekul lain. Permukaan berlian biasanya ditutupi dengan lapisan atom hidrogen. Tanpa lapisan ini, permukaan berlian mentah akan sangat reaktif karena akan dipenuhi dengan ikatan atom karbon yang tidak terpakai (atau menjuntai). Sementara hidrogenasi mencegah reaksi yang tidak diinginkan, itu juga membuat seluruh permukaan lembam, sehingga sulit untuk menambahkan karbon (atau apa pun) ke dalamnya.

Untuk mengatasi masalah ini, kita dapat menggunakan seperangkat alat skala molekuler yang, dalam serangkaian langkah, menyiapkan permukaan dan membuat struktur pada lapisan berlian, atom demi atom, dan molekul demi molekul. Langkah pertama dalam proses ini adalah menghilangkan atom hidrogen dari titik tertentu pada permukaan berlian, meninggalkan ikatan yang menggantung dan reaktif. Hal ini dapat dilakukan dengan alat abstraksi hidrogen-struktur molekul yang memiliki afinitas kimia yang tinggi untuk hidrogen di satu ujung tetapi di tempat lain lembam. Daerah tidak reaktif alat ini berfungsi sebagai semacam pegangan. Alat tersebut akan dipegang oleh perangkat posisi molekuler, seperti lengan robot molekuler yang dibahas sebelumnya, dan bergerak langsung di atas atom hidrogen tertentu pada permukaan yang ingin kita abstraksi.

Ini menciptakan masalah ayam-dan-telur: kita membutuhkan lengan robot molekuler untuk membangun lengan robotik molekuler lainnya. Untuk mengatasi masalah ini, kita harus membangun lengan robot molekuler dengan sesuatu selain lengan robot molekuler. Kita dapat, misalnya, menggunakan perangkat posisi makroskopik—seperti versi yang disempurnakan dari mikroskop kekuatan atom yang ada—untuk membuat lengan robot molekuler pertama kita. Atau, kita dapat merakit sendiri perangkat posisi molekuler yang disederhanakan. Perangkat posisi mentah pertama ini kemudian dapat digunakan untuk membuat yang lebih baik.

Satu molekul yang cocok untuk alat abstraksi hidrogen adalah radikal asetilen-dua atom karbon yang terikat rangkap tiga. Satu karbon akan menjadi pegangan, dan akan terhubung ke alat pemosisian skala nano. Karbon lainnya memiliki ikatan menjuntai di mana atom hidrogen akan berada di asetilena biasa. Lingkungan di sekitar alat akan menjadi lembam (proposal tipikal melibatkan penggunaan vakum atau gas mulia, seperti kripton atau xenon).

Setelah alat ini menciptakan tempat reaktif dengan menghilangkan atom hidrogen secara selektif dari permukaan intan, menjadi mungkin untuk menyimpan atom karbon di tempat yang diinginkan. Dengan cara ini struktur berlian dibangun, molekul demi molekul, sesuai dengan rencana. Salah satu usulan untuk fungsi ini adalah alat deposisi dimer. Dimer adalah molekul yang terdiri dari dua atom atau molekul yang sama yang saling menempel. Dalam hal ini, dimernya adalah atom karbon C2-dua yang dihubungkan oleh ikatan rangkap tiga. Dalam alat deposisi, setiap karbon di dimer akan terhubung ke molekul yang lebih besar dengan ikatan tunggal dengan atom oksigen.

Alat abstraksi hidrogen dan alat deposisi dimer akan bekerja sama (lihat ilustrasi di atas). Pertama, alat abstraksi akan menghilangkan dua atom hidrogen yang berdekatan dari permukaan berlian. Dua ikatan yang menjuntai akan bereaksi dengan ujung dimer karbon. Reaksi ini akan memutuskan ikatan karbon-oksigen dan kemudian mentransfer dimer karbon dari alat ke permukaan. Karena energi yang dilepaskan selama reaksi jauh lebih besar daripada kebisingan termal, dimer akan menempel ke permukaan dan tetap di sana.

Alat ketiga yang diusulkan untuk membuat struktur nano adalah alat penyisipan karben. Karben—atom karbon yang sangat reaktif dengan dua ikatan yang menjuntai—akan bereaksi dengan (dan menambahkan atom karbon ke) banyak struktur molekul. Karben akan mudah dimasukkan ke dalam ikatan rangkap dua atau rangkap tiga, seperti ikatan dalam dimer karbon-karbon yang dijelaskan di atas. Karben yang dikontrol secara posisi dapat dipasang hampir di mana saja pada benda kerja molekuler yang sedang tumbuh, yang mengarah pada konstruksi hampir semua bentuk yang diinginkan.

Proposal keempat adalah untuk alat deposisi hidrogen. Jika alat abstraksi hidrogen dimaksudkan untuk membuat struktur inert menjadi reaktif dengan menciptakan ikatan yang menjuntai, alat deposisi hidrogen akan melakukan sebaliknya: membuat struktur reaktif menjadi inert dengan menghentikan ikatan yang menggantung. Alat semacam itu akan memungkinkan kita menstabilkan permukaan reaktif dan mencegah atom-atom permukaan menyusun ulang dengan cara yang tidak terduga dan tidak diinginkan. Persyaratan utama untuk alat semacam itu adalah bahwa alat itu menyertakan atom hidrogen yang terikat lemah. Sementara banyak molekul cocok dengan deskripsi itu, ikatan antara hidrogen dan timah sangat lemah; dengan demikian, alat deposisi hidrogen berbasis timah harus efektif.

Keempat alat molekuler ini seharusnya memungkinkan kita untuk membuat berbagai macam struktur kaku—tetapi hanya yang terdiri dari hidrogen dan karbon. Ini adalah tujuan yang jauh lebih ambisius daripada mencoba menggunakan semua 100 atau lebih elemen dalam tabel periodik. Tetapi sebagai imbalan untuk membatasi diri kita pada kelas struktur yang lebih terbatas ini, kami membuatnya lebih mudah untuk menganalisis struktur yang dapat dibuat dan reaksi sintetik yang diperlukan untuk membuatnya. Bagaimanapun, proposal yang lebih sempit ini dapat lebih mudah dan lebih diselidiki secara menyeluruh daripada nanoteknologi penuh. Dan berlian dan variannya yang tahan pecah termasuk dalam kategori ini, seperti halnya lembaran-lembaran atom karbon yang digulung menjadi bola, tabung, dan bentuk lainnya. Bahan-bahan ini dapat menyusun semua bagian yang diperlukan untuk perangkat mekanis dasar seperti penyangga, bantalan, roda gigi, dan lengan robot.

pengobatan kanker terapi gen

Pada akhirnya kami ingin menambahkan elemen lain-untuk membuat perangkat elektronik berlian, misalnya, atau menambahkan beberapa nitrogen ke permukaan internal bantalan untuk menghilangkan ketegangan (ikatan karbon-nitrogen lebih panjang daripada ikatan karbon-karbon) . Struktur tersebut, terutama terdiri dari karbon dan hidrogen dalam kombinasi dengan nitrogen, oksigen, fluor, silikon, fosfor, belerang, atau klorin, membentuk apa yang kita sebut kelas bahan diamondoid.

Zaman Berlian

Berlian alami itu mahal, kita tidak bisa membuatnya dalam bentuk yang kita inginkan, dan itu hancur. Nanoteknologi akan memungkinkan kita membuat berlian anti pecah dengan biaya murah (dengan struktur yang mungkin menyerupai serat berlian) dalam bentuk yang kita inginkan. Ini akan memungkinkan kami membuat Boeing 747 yang beratnya seperlima puluh dari versi hari ini tanpa mengorbankan kekuatan. Manfaat perjalanan ruang angkasa juga akan dramatis. Rasio kekuatan terhadap berat dan biaya komponen sangat penting untuk kinerja dan ekonomi kapal ruang angkasa: nanoteknologi dapat meningkatkan kedua parameter ini sekitar dua kali lipat.

Nanoteknologi juga bisa secara radikal mengubah ekonomi produksi energi. Matahari dapat memberikan daya yang jauh lebih besar daripada yang digunakan orang sekarang—dan melakukannya dengan lebih bersih dan lebih murah daripada bahan bakar fosil dan reaktor nuklir—seandainya saja kita dapat membuat sel surya dan baterai berbiaya rendah. Kita sudah tahu bagaimana membuat sel surya yang efisien: nanoteknologi dapat memotong biayanya, akhirnya membuat tenaga surya menjadi ekonomis. Dalam aplikasi ini kita tidak perlu membuat perangkat baru atau unggul secara teknis; hanya dengan membuat murah apa yang kita sudah tahu bagaimana membuat mahal kita akan memindahkan tenaga surya ke arus utama.

Pembuatan chip komputer bisa mengalami perubahan besar. Tampaknya ada batasan mendasar dalam seberapa jauh kita dapat meningkatkan litografi, proses pembuatan chip sekarang. Dalam litografi (harfiah, tulisan batu), kami menggambar garis halus pada wafer silikon menggunakan metode yang dipinjam dari fotografi. Sebuah film peka cahaya yang disebut resist-tersebar di atas wafer silikon. Resistensi terkena pola kompleks terang dan gelap, seperti negatif di kamera, dan dikembangkan. Dengan mengulangi proses ini, satu set pola interlocking yang rumit dapat dibuat yang mendefinisikan elemen logika kompleks dari sebuah chip komputer.

Tetapi mengatur atom dengan melemparkan foton (atau partikel lain) ke permukaan dari kejauhan sepertinya bukan pendekatan terbaik, terutama jika kita ingin menggunakan tiga dimensi, bukan hanya dua; bayangkan membangun mobil dengan melemparkan alat ke sana dari jarak lebih dari satu mil. Jadi, jika perbaikan pada perangkat keras komputer berlanjut dengan kecepatan saat ini, dalam satu dekade atau lebih, kita harus beralih dari litografi ke beberapa teknologi manufaktur baru. Desain untuk elemen logika komputer yang terdiri dari kurang dari 1.000 atom telah disarankan-tetapi setiap atom dalam perangkat sekecil itu harus berada di tempat yang tepat. Dan penyemprotan bahan kimia di sekitar tidak dapat mengatur atom dengan presisi yang dibutuhkan.

Untungnya, berlian adalah bahan elektronik yang sangat baik. Ini mengungguli silikon dalam beberapa hal utama. Untuk satu hal, elektron bergerak lebih cepat di berlian daripada di silikon. Berlian juga dapat bekerja lebih baik daripada silikon pada suhu tinggi. Ini penting karena ketika chip menjadi lebih cepat dan lebih cepat, kinerjanya dibatasi oleh kebutuhan untuk menghilangkan panas yang menumpuk di sirkuit.

Diamond memiliki keunggulan ini karena dua alasan. Pertama, berlian memiliki konduktivitas termal yang lebih besar daripada silikon, yang memungkinkan panas keluar dari transistor berlian lebih cepat. Kedua, berlian memiliki celah pita yang lebih besar daripada silikon-5,5 volt elektron, dibandingkan dengan 1,1 volt elektron dalam silikon. Celah pita adalah jumlah energi minimum yang diperlukan untuk mendorong elektron dari keadaan yang relatif tidak bergerak ke pita konduksi semikonduktor, di mana elektron bergerak bebas di bawah pengaruh tegangan. Dengan meningkatnya suhu, lebih banyak elektron memperoleh energi yang dibutuhkan untuk melompat ke pita konduksi. Ketika terlalu banyak elektron melakukan ini, perangkat berubah dari semikonduktor menjadi konduktor; transistor korslet dan berhenti bekerja. Celah pita berlian yang lebih tinggi berarti ia korslet pada suhu yang lebih tinggi.

Dengan nanoteknologi, kita seharusnya dapat membangun perangkat penyimpanan massal yang dapat menyimpan lebih dari 100 miliar miliar byte dalam volume seukuran gula batu, dan komputer paralel masif dengan ukuran yang sama yang dapat mengirimkan satu miliar miliar instruksi per detik-a miliar kali lebih banyak dari komputer desktop saat ini.

Ketersediaan perangkat skala nano juga dapat mendefinisikan ulang operasi secara radikal. Saat ini ada ketidaksesuaian mendasar antara apa yang dibutuhkan untuk mengobati cedera dan kemampuan alat kami. Mesin seluler dan molekuler dalam jaringan kita kecil dan presisi, namun pisau bedah saat ini, seperti yang terlihat oleh sel, adalah sabit kasar yang merobek jaringan, meninggalkan sel-sel mati dan cacat di belakangnya. Satu-satunya alasan mengapa operasi modern berhasil adalah kemampuan sel yang luar biasa untuk berkumpul kembali, mengubur yang mati, dan menyembuhkan luka.

Alat-alat bedah yang bersifat molekuler baik dalam ukuran maupun presisi seharusnya memungkinkan kita secara langsung menyembuhkan, pada tingkat molekuler dan seluler, luka-luka yang menyebabkan penyakit. Lengan robot molekuler yang panjangnya kurang dari 100 nanometer, misalnya, akan dengan mudah masuk ke dalam sistem peredaran darah (satu sel darah merah berdiameter sekitar 8.000 nanometer) dan bahkan akan mampu masuk ke dalam sel individu.

Salah satu aplikasinya adalah dalam terapi kanker. Kami dapat merancang perangkat kecil yang dapat mengidentifikasi dan membunuh sel kanker. Perangkat, yang akan menggabungkan komputer skala nano dan beberapa situs pengikatan yang dibentuk agar sesuai dengan molekul tertentu, akan beredar bebas ke seluruh tubuh, secara berkala mengambil sampel lingkungannya dengan menentukan apakah situs pengikatannya ditempati. Semakin sering suatu situs ditempati, semakin tinggi konsentrasi molekul yang dirancang untuk situs tersebut. Sebuah perangkat nano dengan selusin jenis situs pengikatan yang berbeda dengan cara ini dapat memantau konsentrasi selusin jenis molekul berbeda yang terjadi secara normal di dalam tubuh tetapi konsentrasinya relatif terhadap satu sama lain berubah ketika kanker hadir. Komputer dapat menentukan apakah profil konsentrasi sesuai dengan profil yang telah diprogram sebelumnya dan akan, ketika profil kanker ditemukan, melepaskan racun yang secara selektif membunuh sel kanker.

Setiap perangkat dapat menggabungkan sensor tekanan skala nano yang memungkinkan pembunuh kanker menerima instruksi melalui sinyal ultrasonik dalam kisaran megahertz. Dengan mendengarkan beberapa sumber sinyal akustik makroskopik, perangkat dapat menentukan lokasinya di dalam tubuh seperti halnya penerima radio di bumi dapat menggunakan transmisi dari beberapa satelit untuk menentukan posisinya. Kesadaran akan lokasinya sendiri di dalam tubuh akan membantu perangkat memutuskan apakah itu dekat dengan kanker. Dengan tidak adanya informasi lokasi, kadang-kadang mungkin secara keliru melepaskan racun dalam sel yang tampaknya merupakan sel kanker. Jika tujuannya adalah untuk membunuh kanker usus besar, misalnya, pembunuh kanker di jempol kaki tidak akan melepaskan racunnya tidak peduli apa yang dikatakan sensor kankernya.

Bagaimana Kita Bisa Sampai Di Sana?

Kemampuan menakjubkan yang dijelaskan di sini, sebagian besar, bersifat teoretis. Bagaimana mereka bisa dibuat nyata? Bagaimana kita dapat membangun sistem manufaktur tujuan umum yang dapat diprogram menggunakan alat yang sangat reaktif dan dikontrol posisi yang dapat dengan murah memproduksi sebagian besar struktur diamondoid?

Besarnya tantangan ini tidak boleh diremehkan. Proposal saat ini untuk assembler yang mampu membuat struktur diamondoid melibatkan ratusan juta atau miliaran atom-tanpa atom yang keluar dari tempatnya. Bahkan lengan robot sederhana, yang mungkin hanya terdiri dari beberapa juta atom, harus disertai dengan komponen lain. Lengan robot akan bekerja dalam ruang hampa, misalnya, mendikte perlunya cangkang di sekitar lengan untuk mempertahankan ruang hampa itu. Gadget tambahan lainnya yang akan dibutuhkan termasuk penerima akustik, komputer, ratchet yang digerakkan dengan tekanan, dan tempat penjilidan. Jika setiap operasi, seperti abstraksi hidrogen atau deposisi karben, biasanya menangani satu atau beberapa atom, maka tingkat kesalahan harus kurang dari satu dalam satu miliar.

Meskipun kesempurnaan seperti itu secara teoritis dapat dicapai, teknologi saat ini tidak sesuai dengan tugasnya. Proses sintesis kimia yang oleh ahli kimia dianggap sangat baik mengubah 99 persen reaktan menjadi produk yang diinginkan. Namun hasil 99 persen itu mewakili tingkat kesalahan satu dalam 100, yang sepuluh juta kali kurang sempurna daripada yang kita inginkan untuk nanoteknologi yang matang. Sintesis protein dari asam amino oleh ribosom memiliki tingkat kesalahan mungkin satu dari 10.000. DNA, dengan mengandalkan deteksi dan koreksi kesalahan ekstensif bersama dengan redundansi bawaan (molekul memiliki dua untai komplementer), mencapai tingkat kesalahan kira-kira satu dalam satu miliar saat mereplikasi dirinya sendiri.

Tidak ada teknologi yang ada yang dapat mendekati tingkat kinerja ini. Salah satu teknik yang dapat memposisikan atom individu, misalnya, adalah mikroskop probe pemindaian (SPM), di mana ujung tajam dibawa ke permukaan sampel sehingga sinyal dihasilkan yang memungkinkan kita memetakan permukaan yang diperiksa, seperti orang buta yang mengetuk dengan tongkat untuk merasakan jalan di depan. Beberapa SPM benar-benar mendorong permukaan dan perhatikan seberapa keras permukaan mendorong kembali. Yang lain menghubungkan permukaan dan probe ke sumber tegangan, dan mengukur aliran arus saat probe mendekati permukaan. Sejumlah interaksi permukaan probe lainnya dapat diukur, dan digunakan untuk membuat berbagai jenis SPM.

SPM tidak hanya dapat memetakan permukaan tetapi juga dapat mengubahnya dengan menyimpan atom dan molekul individu dalam pola yang diinginkan, misalnya. Dalam kasus yang dipublikasikan dengan baik, para ilmuwan mengatur 35 atom xenon pada permukaan nikel untuk membentuk huruf yang mengidentifikasi majikan mereka: IBM. Tetapi manipulasi SPM ini membutuhkan pendinginan hingga 4 derajat di atas nol mutlak—kondisi yang tidak terlalu ideal untuk manufaktur skala besar. Baru-baru ini, para ilmuwan IBM telah secara tepat mengatur molekul pada suhu kamar pada permukaan tembaga. Namun, SPM memiliki tingkat kesalahan yang cukup tinggi sehingga mereka harus menggunakan metode deteksi dan koreksi kesalahan yang relatif canggih. Dan sementara sistem ini dapat bergerak di sekitar beberapa atom atau molekul, mereka tidak dapat memproduksi berlian dalam jumlah besar yang terstruktur dengan tepat dari jenis yang mungkin digunakan untuk membuat mobil atau pesawat.

Akhirnya, SPM hari ini terlalu lambat. Di alam, ribosom membutuhkan waktu puluhan milidetik untuk menambahkan satu asam amino ke protein yang sedang tumbuh. Tetapi jika assembler membuat salinan dirinya sendiri dalam waktu sekitar satu hari, dan jika ini membutuhkan beberapa ratus juta operasi, maka setiap operasi harus dilakukan dalam sepersekian milidetik. Sebaliknya, SPM membutuhkan waktu berjam-jam untuk menyusun beberapa atom atau molekul. Daripada mencoba memecahkan semua masalah ini dalam satu lompatan raksasa, kita mungkin mendekati mereka secara bertahap dengan mengembangkan serangkaian sistem perantara. Salah satu pendekatan, misalnya, akan menghilangkan persyaratan bahwa assembler dibuat dari struktur diamondoid. Diamondoid menarik, seperti yang telah kita lihat, karena kekuatan, kekakuan, dan sifat listriknya. Tetapi sistem perantara hanya perlu mampu membuat sistem yang lebih maju, dan mungkin produk yang mengesankan dibandingkan dengan produk saat ini. Itu tidak harus berupa diamondoid itu sendiri.

Ini menunjukkan apa yang mungkin disebut nanoteknologi berbasis blok bangunan. Daripada membangun berlian, kami akan membuat beberapa bahan lain dari unit molekul yang relatif besar yang terdiri dari puluhan, ratusan, atau bahkan ribuan atom. Blok bangunan besar seperti itu mengurangi jumlah langkah perakitan, sehingga lebih sedikit operasi unit yang diperlukan, dan mereka tidak perlu terlalu andal. Blok bangunan larut yang hanya menempel pada blok bangunan lain, bukan pada pelarut atau kontaminan konsentrasi rendah, menghilangkan kebutuhan untuk bekerja dalam ruang hampa.

Dalam memilih bahan penyusun seperti itu, kita memiliki banyak pilihan: salah satu dari banyak molekul yang telah disintesis oleh ahli kimia, atau dapat disintesis secara wajar, dengan sifat yang diinginkan. Setiap blok bangunan molekul harus memiliki setidaknya tiga situs di mana ia dapat terhubung ke blok bangunan lainnya. Unit dengan dua situs ikatan menunjukkan polimer ada di mana-mana dalam sistem biologis, seperti DNA, RNA, dan protein. Blok bangunan yang memiliki tiga tempat pengikatan membuat desain struktur tiga dimensi yang kaku menjadi lebih mudah.

Blok bangunan tersebut dapat dihubungkan satu sama lain menggunakan salah satu dari berbagai reaksi kimia yang dipahami dengan baik. Kemungkinan yang sangat menarik adalah reaksi Diels-Alder, di mana diena (hidrokarbon dengan ikatan rangkap karbon-karbon) dapat dibuat untuk bereaksi dengan molekul tertentu.

Menjawab Yang Ragu

ai dalam layanan pelanggan

Meskipun masuk akal mengembangkan nanoteknologi, ada skeptis. Kritik mereka, bagaimanapun, kurang informasi. Misalnya, ahli kimia David Jones, seorang kolumnis Nature, dikutip di Scientific American bahwa konstruksi perakit molekul gagal karena atom-atom individu sangat mobile dan reaktif. Mereka akan bergabung secara instan dengan udara sekitar, air, satu sama lain, cairan yang mendukung assembler, atau assembler itu sendiri.

Proposal yang melibatkan alat molekuler reaktif, bagaimanapun, menentukan bahwa lingkungan harus inert baik vakum atau gas mulia; tidak akan ada udara sekitar untuk bereaksi. Dan karena alat molekuler dikontrol secara posisi, mereka tidak akan bereaksi satu sama lain atau dengan perakit itu sendiri—untuk alasan yang sama seperti besi solder panas tidak bereaksi dengan kulit orang yang menggunakannya.

Saya sering ditanya berapa lama sebelum kita dapat membuat komputer molekuler, sebelum sel fotovoltaik yang murah menghasilkan tenaga surya yang bersih dan murah, sebelum pesawat ruang angkasa ultraringan secara dramatis menurunkan biaya eksplorasi ruang angkasa. Jawaban yang benar secara ilmiah adalah: Saya tidak tahu. Tapi melihat satu teknologi yang nanoteknologi dapat meningkatkan-komputasi-memberikan satu perspektif. Dari relai elektromekanis hingga tabung vakum hingga transistor hingga sirkuit terpadu, kami telah melihat penurunan yang stabil dalam ukuran dan biaya elemen logika dan peningkatan yang stabil dalam kinerjanya selama 50 tahun terakhir. Ekstrapolasi tren ini menunjukkan bahwa agar revolusi perangkat keras komputer tetap sesuai jadwal akan membutuhkan pengembangan manufaktur molekuler sekitar tahun 2010 atau 2020.

Tentu saja, mengekstrapolasi tren masa lalu adalah metode peramalan teknologi yang dapat diperdebatkan secara filosofis. Meskipun tidak ada hukum dasar alam yang mencegah kita mengembangkan nanoteknologi pada jadwal ini (atau bahkan lebih cepat), tidak ada hukum yang mengatakan bahwa jadwal ini tidak akan tergelincir. Namun, jauh lebih buruk, tren semacam itu menyiratkan bahwa ada beberapa jadwal yang ditentukan—bahwa nanoteknologi pasti akan muncul terlepas dari apa yang kita lakukan atau tidak lakukan. Tidak ada yang bisa lebih jauh dari kebenaran. Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengembangkan teknologi ini sangat bergantung pada apa yang kita lakukan. Jika kita mengejarnya secara sistematis, itu akan terjadi lebih cepat. Jika kita mengabaikannya, atau hanya berharap seseorang akan tersandung, itu akan memakan waktu lebih lama. Untungnya, dengan menggunakan pendekatan teoretis, komputasi, dan eksperimental bersama-sama, kita dapat mencapai tujuan lebih cepat dan andal daripada hanya menggunakan satu pendekatan saja. Sama seperti Boeing yang dapat merancang, membuat, dan menerbangkan pesawat di komputer sebelum membuatnya di dunia nyata, kami juga dapat melakukan hal yang sama untuk pembuatan molekul. Kami dapat dengan cepat menghilangkan sebagian besar awal yang salah dan jalan buntu dan dengan cepat fokus pada pendekatan terbaik.

Seperti pendaratan manusia pertama di bulan, proyek Manhattan, atau pengembangan komputer modern, munculnya manufaktur molekuler akan membutuhkan upaya terkoordinasi dari banyak orang selama bertahun-tahun. Itu akan makan waktu berapa lama? Banyak tergantung pada saat kita memulai.

bersembunyi

Teknologi Aktual

Kategori

Tidak Dikategorikan

Teknologi

Bioteknologi

Kebijakan Teknologi

Perubahan Iklim

Manusia Dan Teknologi

Bukit Silikon

Komputasi

Majalah Berita Mit

Kecerdasan Buatan

Ruang Angkasa

Kota Pintar

Blockchain

Cerita Fitur

Profil Alumni

Koneksi Alumni

Fitur Berita Mit

1865

Pandangan Ku

77 Jalan Massal

Temui Penulisnya

Profil Dalam Kemurahan Hati

Terlihat Di Kampus

Surat Alumni

Berita

Pemilu 2020

Dengan Indeks

Di Bawah Kubah

Pemadam Kebakaran

Cerita Tak Terbatas

Proyek Teknologi Pandemi

Dari Presiden

Sampul Cerita

Galeri Foto

Direkomendasikan