納米技術的場景

    Nano的明天-場景6

    “推遲的目標”

    請注意這些場景不是預測,也不代表負責任納米技術中心所期望的結果。CRN的目的是為分子製造政策和社會反應的討論提供一個跳板。雖然每個場景都可以單獨理解,但該過程的真正價值來自於多個場景的比較。在一種情況下看似強有力的戰略應對措施,在另一種情況下可能是危險的;使用這些場景來考慮如何處理分子製造的出現的組織、社區或政體應該爭取在多個場景中都可行的響應。最後,場景的編號與重要性或優先級無關——它隻是簡單地反映了它們完成的順序。
    千禧年的第一個十年中期見證了對分子製造的緩慢轉變。不僅是分子機器的支持者,連不隸屬於分子機器的科學家也開始承認,分子機器製造分子機器的想法可能值得追求。這一方法的支持者們開始鬆了一口氣。到2007年,至少有一個組織(納米工廠合作組織)正致力於逐原子製造鑽石,一家擁有成功實驗室研究曆史的公司(Zyvex)正致力於原子精確的矽形狀,DNA技術正取得巨大進展。
    接近該領域的觀察人士很少預料到分子製造會成為自身成功的受害者。事後看來,諷刺是不可避免的,幾乎是可以預見的:每一次局部的成功和微小的進步,都會吸引越來越多的人對利用分子工具實現指數級納米級製造的最終目標的興趣。
    Zyvex LLC在2011年宣布,他們的原子精確製造項目成功地在矽表麵建立了二維結構,每個原子都精確地位於計劃的位置。這被正確地視為一項重大成就:在精度和吞吐量方麵,它遠遠超過了1994年Aono小組的實驗室演示。此外,Zyvex還宣布,可能包括不同材料層在內的三維結構正在研發中。一些附帶技術,包括生物醫學傳感器和快速電子電路,很快被開發出來。
    早在2006年,Rothemund技術用小的、容易合成的DNA“釘”構建DNA結構,成功地創造出一個高中生可以設計和構建的二維形狀。到2012年,測量和理論的進步為建築三維形狀提供了可靠的設計規則,而裝配後“鎖定”的新技術使多層次綜合成為可能。隨著各種納米級成像和定位技術的進步,係統可以準確地提取DNA結構,並將它們以任何想要的模式粘在一起。精密結構的最大尺寸在2011年突破了1微米的界限,在2013年突破了10微米的界限,在2017年突破了100微米的界限——大到可以用肉眼看到——盡管更大的結構相當重複。到那時,Zyvex正在建造100微米寬、10微米高的結構,並開始用犧牲材料進行實驗,以製作獨立的運動結構(NEMS)。
    到2018年,一份關於納米尺度製造技術的完整調查將會有很多篇幅。可以說,包含數十億個精確放置的原子的靜態結構現在幾乎是司空見慣的。傳感器(包括生物/醫療設備)、電子學、光子學、等離子體電子學和其他各種實用領域的發展速度比任何人在2005年的預期都要快。到2015年,處理這些結構的多物理模擬工作已經取得了很大的成功,到2020年,泛物理模擬有了嚴肅的討論:能夠預測十億原子結構的任何期望的性質或行為。

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    在所有這些過程中,建立納米級製造係統的最初目標半途而廢了。早在2007年,美國國家納米技術計劃(NNI)的官員們就開始悄悄重新定義“分子納米技術”這個術語,不再是分子製造,而是意味著簡單地構建複雜的分子結構。到2009年,重新定義在很大程度上取得了成功;例如,科學作家通常將Rothemund的工作稱為分子納米技術。與此同時,NNI也開始研究“分子製造”,到2011年,這個術語已經與當時的一些技術有關,包括Zyvex的原子精確製造。(Zyvex和Rothemund都不鼓勵這種做法,但他們也不必這麼做。)
    盡管到2015年,大多數科學家都承認分子機器有一天會製造分子——事實上,納德裏安·西曼在2003年就用DNA製造了一台DNA製造機器——但他們通常會接著說,這是一個無趣的目標,因為隻需1萬美元的機器就能在一周內製造10億個原子結構,而且價格/性能預計將以每年四倍的速度繼續提高。按照這個速度,成本低至1000美元的毫克結構預計最早將在2022年實現。
    與此同時,納米工廠合作項目在技術上取得了進展,但未能獲得人們的關注。到2012年,他們成功地在鑽石上添加了精確定位的碳原子。在2015年前後,人們開始使用精密的顯微鏡來進行這種高可靠性的檢測。盡管取得了這些進展,但資金並未出現,直到2018年,第一塊小鑽石才建成。在一個惡性循環中,每一次延遲都減少了興趣和資金,而缺乏資金又導致了延遲。到2020年,合作參與者還沒有實現1000原子鑽石形狀。盡管在這個時候,已經有了建造百萬原子機器的詳細配方,而且合作組織聲稱隻需幾百萬美元就可以在五年內建成一個以鑽石為基礎的納米工廠,但更廣泛的觀點仍然認為,這將需要十多年的時間,而且相對乏味,所需的資金也從未到來。
    到2020年,學術界和工業界已經確立了一些大規模製造超大分子結構的成功技術,並且有三分之一的納米技術專家致力於開發這種結構的新用途。這被視為分子製造的巨大成功。前沿的工作仍然在美國完成,而其他國家正在努力獲得他們的專利申請份額。因此,全世界的焦點都集中在這些新的“分子製造”技術上,人們普遍認為“分子納米技術”畢竟是一個巨大的成功。
    2022年,納米工廠合作組織的代表宣布,新的理論突破結合越來越強大的工具,終於為能夠進行分子製造(德雷克斯勒最初對分子製造的理解)的係統繪製了完整的藍圖。他們說,隻要再進行幾年私人資助的工作,世界將最終看到真正的分子製造,不是每毫克1000美元,而是每公斤100美元——與現有的大規模製造技術,如冶金和納米管複合材料,在成本上具有競爭力。最重要的是,這將是一種通用的分子製造,比現有技術強大得多,而且能夠非常迅速、幾乎無限的改進。一些觀察人士重燃了對經濟或地緣政治崩潰的老擔憂;大多數人隻是采取了一種態度,“我們以前都聽過,我們會相信當我們看到它。”
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    作者:賈邁斯·卡西歐,克裏斯·菲尼克斯,邁克·特雷德
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