納米技術的場景

    Nano tomorrow -場景6

    “一個被推遲的目標”

    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旨在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多個場景的比較。在一種情況下看似強有力的戰略反應,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。
    在新千年的第一個十年的中期,人們慢慢地開始接受分子製造。不僅是它的支持者,而且是無黨派的科學家,開始承認分子機器構建分子機器的想法可能值得追求。該方案的支持者們開始謹慎地鬆了一口氣。到2007年,至少有一個組織(納米工廠合作組織)正致力於用原子來製造鑽石,有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技術也取得了長足的進步。
    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犧牲品。事後看來,諷刺是不可避免的,幾乎可以預見的:每一個部分的成功和微小的進步,都會從使用分子工具的指數級納米級製造的最終目標中吸取越來越多的興趣。
    2011年,Zyvex LLC宣布,他們的原子精確製造項目成功地在矽表麵上構建了二維結構,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公司還宣布,可能包括多層不同材料的三維結構正在研發中。一些衍生技術,包括生物醫學傳感器和快速電子電路,很快得到了開發。
    早在2006年,Rothemund技術用小的、容易合成的DNA“釘”來構建DNA結構,已經成功地創造出一個高中生都能設計和構建的二維形狀。到2012年,測量和理論的進步為構建三維形狀帶來了可靠的設計規則,組裝後“鎖定”的新技術使多層次合成成為可能。各種納米級成像和定位技術的進步已經導致了係統可以準確地提取DNA結構,並以任何所需的模式將它們粘在一起。精密結構的最大尺寸在2011年突破了1微米的障礙,在2013年突破了10微米的障礙,在2017年突破了100微米的障礙——大到足以用肉眼看到——盡管較大的結構相當重複。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,以製造獨立的運動學結構(NEMS)。
    2018年之前開發的納米級製造技術的完整調查將占據許多頁。隻要說包含數十億精確放置的原子的靜態結構現在幾乎是司空見慣的事就足夠了。傳感器(包括生物/醫學設備)、電子學、光子學、等離子體學和其他各種實際領域的發展速度甚至比任何人在2005年預期的都要快。到2015年,處理這些結構的多物理模擬工作在很大程度上取得了成功,到2020年,有了關於泛物理模擬的嚴肅討論:能夠預測十億原子結構的任何期望性質或行為。

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    在這一切之中,構建納米級製造係統的最初目標半途而廢。早在2007年,美國國家納米技術計劃(NNI)的官員們就開始悄悄地重新定義“分子納米技術”一詞,將其從分子製造轉向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流行的幾種技術聯係在一起,包括Zyvex的原子精確製造技術。(Zyvex和Rothemund都不鼓勵這樣做,但他們也不必這麼做。)
    盡管到2015年,大多數科學家會承認分子機器總有一天會製造分子——事實上,納德裏安·西曼(Nadrian Seeman)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,這是一個無聊的目標,因為機器隻需花費1萬美元,就能在一周內製造出10億個原子結構,而且價格/性能預計將繼續以每年四倍的速度提高。按照這個速度,早在2022年,成本低至1000美元的毫克結構就有望實現。
    與此同時,納米工廠合作組織在技術上取得了進步,但未能獲得更多的關注。到2012年,他們成功地在鑽石中添加了精確定位的碳原子。在2015年左右,足夠精確且高可靠性的顯微鏡問世了。盡管取得了這些進展,但資金並沒有出現,直到2018年,第一塊小塊鑽石才被建造出來。在一個惡性循環中,每一次延遲都會降低利息和資金,而缺乏資金又會導致延遲。到2020年,合作參與者還沒有實現1000個原子的鑽石形狀。盡管到那時,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,隻需幾百萬美元就能在五年內建造一座鑽石納米工廠,但更廣泛的觀點仍然認為,這需要十多年的時間,而且相對無趣,所需的資金也永遠不會到來。
    到2020年,學術界和工業界已經牢固確立了幾項大規模製造超大分子結構的成功技術,足足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。最前沿的工作仍在美國完成,而其他國家則在努力獲得可專利申請的份額。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,新的理論突破與更強大的工具相結合,終於為一個能夠進行分子製造的係統繪製了完整的藍圖,這是德雷克斯勒最初對分子製造的理解。他們說,再經過幾年私人資助的研究,世界將最終看到真正的分子製造,價格不是每毫克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)相比具有成本競爭力。最重要的是,這將是一種通用分子製造,比現有技術強大得多,而且能夠極其迅速、幾乎無限地改進。一些觀察人士重新喚起了對經濟或地緣政治崩潰的擔憂;大多數人隻是采取了一種態度,“我們以前都聽說過,親眼所見才會相信。”
    場景七
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    作者:詹姆斯·卡西歐,克裏斯·菲尼克斯,邁克·特羅德
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