Алмаз механосинтезіне кіріспе (DMS)

Алмаз механосинтезі (DMS), немесе молекулалық позициялық дайындау, құру үшін дәл қолданбалы механикалық күштер пайдаланып ковалентті химиялық облигацияларды қалыптастыру болып табылады алмастас құрылымдар. DMS бағдарламаланатын молекулалық позициялық дайындау беретін компьютерлік бақылау арқылы автоматтандырылған болуы мүмкін.

Атомды дәл дайындалу шикізаттың атомдары мен молекулаларын ұстап тұруға және өсіп келе жатқан наноөлшемді дайындауға қатысты тиісті позицияларда және бағыттарда, олар тиіп жатқанда, олар қалаған түрде біріктіріледі.

Бұл үрдісте механикалық синтетикалық аспап дайындаманың бетіне шығарылады. Бір немесе одан да көп трансферлік атомдар құралы арқылы дайындауға қосылады немесе алынып тасталады. Содан кейін құрал алынып, қайта зарядталады. Дайындау материалы (мысалы, өсіп келе жатқан нанобақ) толығымен молекулярлық дәлме-дәлге дейін әрбір атом дәл орынға жеткенге дейін бұл процесс қайталанады. Трансферт атомдары қажетсіз жанама реакциялардың пайда болуын болдырмау үшін әрқашан позиционды басқару* болып табылады.

T ол шынайы механосинтез бірінші эксперименттік көрсету, кремний атомдарының бойынша таза механикалық күштер пайдаланып ковалентті облигацияларды құру емес, көміртек атомдары, хабарлады Ойабу және әріптестерімен 2003 жылы бірінші DMS патент үшін 2010 жылдың 30 наурызында АҚШ-та берілген Роберт А. Фрейтас Дж.

* Дәлірек айтқанда, бекітілген атомдар емес, позициялық бақылауды және қолданылатын күштерді тікелей алатын сабын құрылымы. Дегенмен, тұтқаны позициональды түрде ұстаудың жанама әсері мынада, бұл ұшыдағы жартысы белгілі бір дәрежеде позиционалды түрде шектелген, яғни еркін газ немесе ерітінді фазасы фазасынан әлдеқайда көп.

• DMS Прогресс (2004 лекция арқылы Фрейтас)
• DMS бойынша Техникалық кітап арқылы Фрейтас және Мерклом (дайындауға)
• Мазмұндалған техникалық библиография  алмас механосинтез бойынша ғылыми-зерттеу жұмысын
• Арқылы DMS туралы Бағдаршам аз ағыл қағаз  2008 жылы Фрейтас және Мерклом

Картаны қоспағанда, SPM беті өзгерте алады, мысалы, жеке атомдар мен молекулаларды қажетті үлгіге сақтау арқылы. 1989 жылы бір жарияланған жағдайда ғалымдар өздерінің жұмыс берушісін «IBM» деп анықтайтын әріптерді құру үшін никель бетіндегі 35 ксенон атомды ұйымдастырды. Бірақ бұл SPM манипуляциясы 4 градусқа дейін абсолютті нөлге дейін салқындатуды талап етті – ауқымды өндіріс үшін өте қиын жағдай. Сонымен қатар, SPM-ларда қателерді анықтаудың және түзетудің күрделі әдістерін талап ету үшін жеткілікті жоғары қателер бар. Бұл жүйелер бірнеше атомды немесе молекуланы қозғалтса да, олар молекулалық роботты қолды құрастыру үшін пайдаланылуы мүмкін дәлме-дәл құрылымдалған алмастың үлкен мөлшерін өндіре алмайды.

Бүгінгі SPM, сондай-ақ тым баяу. Табиғатта, бактериялық рибосоманың позициялық бақылауында өсіп келе жатқан белок, бір амин қосу үшін кем дегенде 25 миллисекунд қабылдайды. Наноқұрылыс өндірістік желі немесе молекулалық ассемблер туралы күні өзі (немесе өзінің массасы) көшірмесін өндіру болып табылады, және бұл миллион жүзге жуық атом-орналастыру операцияларын талап ететін болса, онда әрбір осындай операция ~ 1 миллисекунды жылы аяқталуы тиіс болса, рибосоманың қарағанда біршама жылдам жұмыс жиілігі. Бүгінгі SPM, керісінше, бір молекуласы немесе атомы ұйымдастыру сағатқа дейін созылуы мүмкін. Сенімді алмас механосинтез жету үшін қажет болады SPM жылдамдығы мен дәлдігін ірі аванстар, және осындай аванстар нақты тәжірибелік мақсаты болып табылады наноқұрылыс ынтымақтастық.

Тиісті позициясын ұстап тұру үшін, құралдар тақтасының тұтқасы және басқа да тірек құрылымы (және DMS құралының жұмысы) өте қатты болуы керек. Материалдың беріктігі мен тығыздығы оның атомдарын біріктіретін байланыстардың саны мен күшіне және атомдардың массивіне байланысты. Бұл критерийлерге сәйкес келетін элемент – жеңіл және жеңіл және басқа элементтерге қарағанда күшті байланыстар жасайтын көмір. Көміртегілі-көміртекті байланыс әсіресе күшті. Әрбір көміртегі атомы төрт көршілес атомға байланыса алады. Ал көміртегі атомдары ең қатаң материалды қолдана алады: Алмаз. Алмазда күшті байланыстардың тығыз желісі қатты, салыстырмалы түрде жеңіл және өте қатты материал жасайды.

Алмаз механосинтезіне арналған жұмыс ортасы өте жоғары вакуум (UHV) болып есептеледі, бірақ DMS-дің асыл газ сұйықтығында немесе химиялық инертті сұйықтықтың басқа ортасында орындалуы мүмкін емес.

Реакция қадамдар ұзақ бағдарламаланған қатарынан позиционно-бақыланатын DMS орындау компьютерлік-автоматтандырылған кеңестер пайдалана отырып, біз қарапайым дайындау мүмкіндігі болуы мүмкін алмас тас мұндай (оң жақта суретте) Мойынтіректер, тісті, Струтс, бұлақтар, гауһар логикалық шыбықтар ретінде наномеханикалық бөлшектер, және корпустың атом дәлдігі. Ол кейбір негізгі әбден мүмкін, ал алмас тас құрылымдар дәстүрлі синтетикалық химия өзін-өзі құрастыру әдістерін пайдалана отырып, өндірілетін болуы мүмкін, ол көп функционалды, жоғары кернеулі, немесе күрделі-бiрiне құрылымдар позициялық бақылау кейбір нысанын жалдаушы жоқ дайындалған болуы мүмкін екіталай сияқты.

Алмаз механосинтезінің құралдары

Ол бүгін сусымалы гауһар синтездеу қазірдің өзінде болады. Спрей кескіндеме бірнеше еске процесінде, біз реактивті сутегі атомдарының және көмірсутегі молекулалардың бұлтта бетін ұстау арқылы гауһар қабатының кейін қабатын құру. Осы молекулалар бетіне соқтығу кезде олар оны өзгерте, не қосу, жою немесе атомдар қайта реттеу арқылы. Деп аталады – мұқият осы процестің қысым, температура, және газ дәл құрамын бақылау арқылы химиялық шөктіру немесе химиялық шөгуi – біз бетінде гауһар өсуін пайдасына жағдай жасауға болады. Әдеттегі CVD реактор орнату оң жағында көрсетілген.

Бірақ реактивті молекулалармен бетінің кездейсоқ бомбалануы өсу үрдісіне жақсы бақылау жасауды ұсынбайды және құмды бөртпе бар сағаттар жасау сияқты. Атомды түрде нақты дайындыққа қол жеткізу үшін бірінші кезектегі міндет – барлық химиялық реакциялардың бетінде дәл көрсетілген жерлерде болуын қамтамасыз ету. Екінші мәселе – басқа атомды немесе молекуланы қосқымыз келетін нақты нүктелерде гауһартастың бетіне реакция жасау. Алмаз беті әдетте сутегі атомдары қабатымен жабылған (оң жақта Алмаз C (110) бетіндегі суреттегі ақ атомдар). Бұл қабатсыз, шикі алмас беті жоғары реактивтік болады, өйткені ол көміртегі атомдарының ең жоғарғы жазықтықта пайдаланылмаған (немесе «қауіпті») байланыстарымен байланыста болады. Гидрогенизация қажетсіз реакциялардың алдын алады, бірақ ол сонымен қатар бүкіл беттік инертті береді, оған көміртекті (немесе басқа да) қосуға қиындық тудырады.

Бұл мәселені шешу үшін молекулярлық ауқымды құралдар жиынтығын қолдануға болады, олар белгілі бір қадамдарда беті дайындап, көмірсутегі құрылымдарын алмас қабатында, атом мен молекуланың атомы арқылы молекула арқылы жасай алады. Механосинтетикалық құралы екі негізгі компоненттен тұрады: химиялық белсенді құрал және аспаптың ковалентпен байланысқан химиялық инертті тұтқасы. Тұтқаны құрылымы SPM немесе ұқсас құралдар арқылы позиционалды түрде басқарылады.

Кем дегенде үш негізгі механикалық синтетикалық құралдары өзінде айтарлықтай алды теориялық (және кейбір эксперименттік) зерттеу позициялық бақылау арқылы атомдық дәл гауһар салу қажет болады:

(1)  Cутегі абстракцияның Құралдар,

(2)  Көміртек орналастыру Құралдар, және

(3)  Сутегі құрбандыққа Құралдар.

1 2 3

(1) Сутектік абстракцияның құралдары

Алмаз механикалық синтетикалық дайындау барысында алғашқы қадам екі реактивті оборванных облигациялар артта қалдырып, алмаз бетіне екі нақты көрші дақтардың әрбір сутегі атомы алып тастау болуы мүмкін. Бұл арқылы жасалуы мүмкін сутегі абстракция құралын бір соңында сутегі үшін жоғары химиялық жақындығын бар, бірақ басқа жерде инертті болып әлі-теориялық молекулалық құрылымы.

Құралдың аралас емес аймағы тұтқаны немесе тіркеме нүктесін басқарады. Құралды молекулярлық позициялық құрылғы, алдымен сканерден өткізетін зондтың микроскоп шыңы, бірақ сайып келгенде молекулалық роботты қолмен ұстап, бетінде белгілі бір сутек атомдарының үстінен қозғалады. Сутектің абстракцияның құралы үшін бір қолайлы молекула – ацетилен радикалы – үш көміртек атомдары біріктірілген. Бір көміртектің тұтқасы байланысы болады және нанографты позициялау құралы арқылы үлкен құрылымды құрылым арқылы, бәлкім, суреттегідей суретте көрсетілген адамантен торларынан байланысқан болар еді. Басқа көміртегі сутегі атомы əдеттегі ацетилен (C₂H₂) молекуласында қалыпты болатын кезде сақалыңыз байланыс бар. Құралдың ортасы инертті болады (мысалы, вакуум немесе неон сияқты асыл газ).

Ең зерттелген этинил негізделген ең егжей-тегжейлі талдау сутегі абстракция құралы хабарлады Темелсо соавт (2006) тұратын көптеген бірлескен күш бірі ретінде наноқұрылыс ынтымақтастық. Неэтинил негізделген сутек абстракция құралдары басқаларға ұсынған болатын, бірақ бүгінгі күнге дейін салыстырмалы шектеулі теориялық зерттеу алды. Бұл құралды құру үшін практикалық әдіс ұсынылған және патенттелген жылы болды 2008 Фрейтас және Мерклом арқылы, және осы ұсынысты тәжірибелік сынақ жұмыстарына болып табылады.

1 2 3

(2) Көміртекті орналастыру құралдары

Абстракция құралы Алмас бетіндегі сутек атомдарын селективті алып тастау арқылы іргелес реактивті дақтарды құрғаннан кейін, екінші қадам көміртегі атомдарын қажетті жерлерде сақтау болып табылады. Осылайша, жоспарға сәйкес, алмас құрылымы, молекула молекуласы салынған.

Бірінші толық соңды бұл көміртегі тұндыру функциясы, ұсынылатын құралы хабарлады 2002 жылы Форсайт конференциясында Меркл мен Фрейтас арқылы, болып табылады DCB6 димер орналастыру құралы. Димер бірге тұрып сол атомдар немесе молекулалар екі тұратын молекуласы болып табылады. Бұл жағдайда, димер  болар еді C₂  үлкен әрекетсіз сабы құрылымына байланысты димера әрбір көміртегі бар, үш облигация арқылы қосылған екі көміртек атомдары.

Сондай-ақ, молекулалық позициялық құрылғы өтті димер орналастыру құралы, екі оборванных беті облигациялар көміртегі димера ұшына жауап тудырады, жақын белгілі траектория бойымен реактивті дақтардың жеткізіледі. Димер орналастыру құралы, содан кейін суретте көрсетілгендей, оған және CC димера арасындағы салыстырмалы әлсіз облигациялар бұзып және бетіне құралы көміртегі димер аудару, алып тастай еді  жоғарыда. А позиционно бақыланатын димер пайдалы nanopart кескіндер әр түрлі құрылысы беретін негізінен, іс жүзінде кез келген жерде өсіп келе жатқан алмас тас дайындамаға бекітілуі мүмкін.

2006 жағдай, DCB6 димер орналастыру құралы болып қалуда ең зерттелген күнге дейін кез-келген механикалық синтетикалық қалқымалы, есептеу астам 150,000 CPU-сағат болғаным қамтитын ерте бірлескен күш бірі ретінде оның талдау, осылайша алыс инвестиция наноқұрылыс ынтымақтастық екі пайдалана отырып, кезінде Beowulf кластерлер Zyvex. DCB6 Құралы Мотив ғана Құралы Мотив  табысты толық 200-АТОМ алмаз бетіндегі өзінің арнаулы функциясы үшін үлгіленуі. 2010 жылы 30 наурызда,  АҚШ патенті № 7,687,146 соңды алмас механосинтез шығарылған бірінші патент – DCB6 құралын дайындау тәсілі бойынша шығарылды. Аз зерттеу алған, сондай-ақ сондай-ақ орындауға күтілуде Басқа димер (және олармен байланысты көміртек аудару) Құралы сарындары ұсынған болатын Drexler (1992), Мерклом (1997), Меркл мен Фрейтас (2003), Allis және Drexler (2005), Фрейтас, Allis және Меркл (2006), Фрейтас және Меркл (2008), және сипатталған бірінші ретінде Алмаз метил топтарын қосу үшін ең пайдалы гермилметилен (GM) құралы, соның ішінде басқа да,  2008 жылы Фрейтас және Мерклом.

1 2 3

(3) Сутегі құрбандарына арналған құралдар

Атомдық дәл құрылымды сутектік абстракцияның және көміртегі көмірқышқылдарының дәйектелуімен өндірілгеннен кейін, қосымша құрылымсыз реакциялардың алдын алу үшін дайын құрылымды пассивациялау керек.

Сутегі абстракция құралы оборванных облигацияны жасау арқылы реактивті инертті құрылымын жасауға арналған, ал сутегі тапсыру құралы керісінше жасайды. Ол оборванных облигацияны тоқтату арқылы реактивті құрылымы инертті етеді. Мұндай құрал реактивті беттерін тұрақтандыру және күтпеген және жағымсыз жолдармен қайта реттеу беткі атомдары болдырмау үшін пайдаланылатын болады. Сутегі қайырымдылық құралы үшін негізгі талап, ол нашар қоса тіркелген сутегі атомы кіреді, бұл. Көптеген молекулалар деп сипаттамасына сай келетін, бірақ сутегі және германий (немесе қалайы) арасындағы облигациялық әсіресе әлсіз. А Ge негізделген (немесе Sn негізіндегі) сутегі қайырымдылық тиімді құралы болуы тиіс.

Ең зерттелген ауыстырылсын-адамантан негізделген сутегі қайырымдылық құралы хабарлады ең егжей-тегжейлі талдау Темелсо соавт (2007) тұратын бірлескен күш бірі ретінде наноқұрылыс ынтымақтастық. Балама сутегі қайырымдылық құралы сарындары басқалар ұсынған болатын, бірақ бүгінгі күнге дейін салыстырмалы шектеулі теориялық зерттеу алды.

Алмаз неге ғана?

Бұл  бірнеше молекулалық құралдары, сондай-ақ бірнеше басқа да, көміртегі және сутегі тұрады атом дәл қатты құрылымдардың кең ауқымды жасауға мүмкіндік береді тиіс – мысалы, aлмаз.

Әрине, бұл барлық 90+ табиғи химиялық элементтерді мерзімді кестеде қолдануға тырысқаннан гөрі әлдеқайда амбициялық бастапқы мақсат. Бірақ бұл құрылымдардың шектеулі классына біздің назарымызды тарылту үшін айырбастауға болатын синтетикалық реакцияларды және олардың жасалуы мүмкін құрылымдарды егжей-тегжейлі талдауды жеңілдетеміз. Алмаз және оның сыныққа төзімді нұсқаулары осы санатқа жатады, сонымен қатар, фуллерены (көміртек атомдарының парақтары, түтіктер және басқа пішіндерге айналдырылған парақтар). Бұл материалдар строк, подшипник (оң жағында иллюстрациялар), тісті доңғалақтар, шыбықтар, корпустар мен роботты қару сияқты негізгі наномеханикалық құрылғыларға қажетті барлық бөліктерді құрастыра алады.

Кейінірек, DMS-дегі аналитикалық және эксперименттік қабілеттер жетілдірілген және одан да көп құрал-сайманның мотивтері ұсынылып, талданып жатқандықтан, гауһар электронды құрылғылар мен кремнийді көміртекті алмастыратын құрылымдық торлы атом ретінде дайындау үшін допанды атомдар сияқты қосымша элементтерді қосуға болады кейбір қосымшалар.

Осы және онымен байланысты құрылымдардың, мүмкін әлі көміртегі мен сутегі, ең алдымен, оның құрамына, бірақ қазір азот, оттегі, кремний, және бірнеше басқа да химиялық элементтердің атомдарының ұштастыра отырып, «барлық сынып кең ауқымын шығаратын біздің қабілетін толтыру болады алмас тас» материалдар. Оң жағында суретте көрсетілгендей Бұл, мұндай түрлі ковалентті атом радиусы (көміртегі және сутегі тыс) басқа атомдар пайдалануға өлшемдерінің кең ауқымында подшипниктер ретінде дайын өнімдер, әлдеқайда үлкен әртүрлілікті мүмкіндік береді.

Бұл құралдарды қалай құруға болады?

Ғимараттың үшін практикалық процесінің бірінші ұсыныс DCB6Ge арқылы механикалық синтетикалық қалқымалы, Фрейтас, ретінде берілді ала патентке өтінім 2004 жылдың ақпан айында және толық коммуналдық патент ретінде Zyvex 2005 жылдың ақпан айында – бірінші механосинтез патент соңды берілген. Патенттік өтінім ерте нұсқасын оқыңыз жерде немесе осында.

Жұмысқа Фрейтас «ұсынды процесінің өзінде құнды және құттықтау алды сын ғылыми қоғамдастық, және Фрейтас процесінің кейбір нұсқасы неғұрлым күрделі DMS тәсілдері үшін өмірлік маңызды баспалдақ-тас ретінде қызмет ету үшін жеткілікті өміршең болуы мүмкін деп санайды.

Эксперименттік қосымша үш DMS кеңестер құру тек қазіргі уақытта қолда бар зертханалық әдістерін пайдалана отырып, әдістері ұсынған болатын 2008 жылы Фрейтас және Мерклом. Патент берілген кезде 2007 жылдың қыркүйек бойынша, жұмыс калибрлеу ұсынылған DMS реакция реттілігі бірін пайдаланып бірінші DMS қалқымалы салу әрекеті біздің тәжірибеші қатысушылар пайдаланылатын жоспарланған жаңадан сатып алынған сканерлеу зонды жабдыққа басталды.

Бірінші DMS кеңестер құру қолданыстағы технологияны пайдалану үшін басқа да практикалық ұсыныстар асыға іздестіруде наноқұрылыс ынтымақтастық.

Бірінші DMS құралдары салынды кейін, олар көп оңай қайта зарядталатын, дәлірек келесі буынын қалыптастыру үшін пайдалануға болады, және, әдетте, көп жақсарды механикалық синтетикалық құралдары (оң жақтағы суретте). Осы итерациялық даму процесінің түпкі нәтижесі сенімді атом дәл құруға болады тиімді, позиционно бақыланатын механикалық синтетикалық құралдар жетілген жиынтығы болады алмас тас көп DMS құралдарын қоса алғанда, құрылымдар.

Ассамблея желісіндегі DMS құралдары

Зауыттық өндіріс желісін, жеке DMS ишара жазуы қатаң қозғалатын қолдау құрылымдарға жапсырылған болады және дайындамалар қайталау байланыс оқиғаларға, зарядтау станциялары және басқа да осыған ұқсас түрде-жапсырылған apposed ишара арқылы басшылыққа. Бұл молекулалық диірмендер, осылайша қарапайым, тиімді тетіктерін пайдалана отырып, қайталанатын дайындау қадамдарды орындауға болады. Мылтықтар, негізінен, жоғары жылдамдықпен жұмыс істей алады – позиционно шектеулі механикалық синтетикалық кездестірдік мүмкін жиіліктер мегагерц дейін жатқан бар.

Реакция қадамдар ұзақ бағдарламаланған қатарынан позиционно-бақыланатын DMS орындау компьютерлік-автоматтандырылған кеңестер пайдалана отырып, біз қарапайым дайындау мүмкіндігі болуы мүмкін алмас тас атом дәлдік мұндай Мойынтіректер, тісті, Струтс, бұлақтар, логикалық өзектер мен корпусының ретінде наномеханикалық бөліктерін.

Алғашқы құралдар SPM ұқсас тетіктермен басқарылатын бірыңғай DMS құралдарынан, қарапайым құралдарды бір мезгілде жасай алатын күрделі көпқырлы құралдар мен жюльдерге дейін жетеді. Бұл қосалқы құралдар одан әрі жұмыс істей алатын құралдар мен тетіктерді дамыту үшін қолданылатын болады, сол сияқты проектілерде (тек схемалық түрде) тұжырымдамалық түрде ұқсас өндірістік желілерде аяқталатын даму сызығы.