È un piccolo, piccolo, piccolo, piccolo mondo

Le proprietà dei materiali dipendono da come sono disposti i loro atomi. Riorganizza gli atomi nel carbone e ottieni i diamanti. Riorganizza gli atomi nel suolo, nell'acqua e nell'aria e avrai l'erba. E da quando gli esseri umani hanno realizzato per la prima volta strumenti di pietra e coltelli di selce, abbiamo manipolato gli atomi in grandi e tuonanti mandrie statistiche fondendo, fresando, macinando e scheggiando i materiali. Riorganizziamo gli atomi nella sabbia, ad esempio, aggiungiamo un pizzico di impurità e produciamo chip per computer. Siamo diventati sempre più bravi e possiamo fare più cose a costi inferiori e con maggiore precisione che mai.

Anche nel nostro lavoro più preciso, muoviamo gli atomi in enormi cumuli e mucchi disordinati, milioni o miliardi di essi alla volta. Le analisi teoriche chiariscono, tuttavia, che dovremmo essere in grado di riorganizzare atomi e molecole uno per uno, con ogni atomo nel posto giusto, così come potremmo disporre i blocchi di Lego per creare un modello di costruzione o una semplice macchina. Questa tecnologia, spesso chiamata nanotecnologia o produzione molecolare, ci consentirà di realizzare la maggior parte dei prodotti più leggeri, più resistenti, più intelligenti, più economici, più puliti e più precisi.

Questa storia faceva parte del nostro numero di febbraio 1997

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Le conseguenze sarebbero grandi. Potremmo, per cominciare, continuare la rivoluzione nell'hardware dei computer fino agli interruttori e ai cavi di dimensioni molecolari. La capacità di costruire cose molecola per molecola ci permetterebbe anche di creare una nuova classe di materiali strutturali che sarebbero più di 50 volte più resistenti dell'acciaio dello stesso peso: una Cadillac potrebbe pesare 100 libbre; un divano a grandezza naturale potrebbe essere raccolto con una mano. La capacità di costruire molecola per molecola potrebbe anche darci strumenti chirurgici di tale precisione e destrezza da poter operare sulle cellule e persino sulle molecole di cui siamo fatti.

La capacità di realizzare tali prodotti probabilmente si trova a pochi decenni di distanza. Ma i modelli teorici e computazionali forniscono garanzie che i sistemi di produzione molecolare necessari per il compito sono possibili, che non violano la legge fisica esistente. Questi modelli ci danno anche un'idea di come potrebbe essere un sistema di produzione molecolare. Questa è una base importante: dopo tutto, l'idea di base di un relè elettrico era nota nel 1820 e il concetto di un computer meccanico che funzionava con un insieme di istruzioni memorizzate - un programma - fu compreso pochi anni dopo. Ma i computer che utilizzano i relè non furono costruiti molto più tardi perché non esisteva una buona comprensione teorica del calcolo. Oggi gli scienziati stanno mettendo a punto numerosi strumenti e tecniche che saranno necessari per trasformare la nanotecnologia da modelli informatici in realtà. Sebbene la maggior parte rimanga nel regno della teoria, non sembra esserci alcun ostacolo fondamentale al loro sviluppo.

Una cassetta degli attrezzi nano

Immagina di mettere alcuni cavi, transistor e altri componenti elettronici in una borsa, scuoterla e tirare fuori una radio completamente assemblata e pronta per funzionare. Anche se questo suona fantasioso, tale notevole autoassemblaggio è, in sostanza, ciò che i chimici fanno ogni volta che sintetizzano i materiali. Mescolando soluzioni in un becher, un chimico lascia che le attrattive e le repulsioni intrinseche di determinate molecole e atomi prendano il sopravvento. Un'arte e una scienza si sono evolute per organizzare le condizioni in modo che gli atomi si assemblano spontaneamente in particolari strutture molecolari.

Allo stesso modo, siamo circondati e ispirati da prodotti meravigliosamente complessi e tuttavia molto economici. Le patate, per esempio, sono costituite da decine di migliaia di geni e proteine ​​e da intricati macchinari molecolari; eppure non pensiamo a nulla di mangiare questo miracolo della biologia, schiacciato con un po' di burro. Le patate, insieme a molti altri prodotti agricoli, costano meno di un dollaro al chilo. La ragione principale: se dotata di un po' di terra, acqua, aria e luce solare, una patata può produrre più patate. Allo stesso modo, se potessimo realizzare un dispositivo di produzione programmabile per uso generale in grado di creare copie di se stesso, ciò che i ricercatori di nanotecnologia chiamano un assemblatore, i costi di produzione sia del dispositivo che di qualsiasi cosa prodotta potrebbero essere mantenuti bassi.

Un principio di base nell'autoassemblaggio è la viscosità selettiva. Se due parti molecolari hanno forme e schemi di carica complementari, ovvero una ha una cavità dove l'altra ha una protuberanza, o una ha una carica positiva dove l'altra ha una carica negativa, allora tenderanno ad aderire insieme in un modo particolare per formare una parte più grande. Questa parte più grande può combinarsi allo stesso modo con altre parti in modo che un insieme complesso emerga da pezzi molecolari.

L'autoassemblaggio non è di per sé sufficiente, tuttavia, per realizzare l'ampia gamma di prodotti che la nanotecnologia promette. Se le parti sono indiscriminatamente appiccicose, ad esempio, mescolarle insieme produrrebbe chiazze disordinate invece di macchine molecolari precise. Possiamo risolvere questo problema tenendo le parti molecolari nella posizione e nell'orientamento corretti in modo che quando si toccano si uniscano nel modo desiderato. Alla scala macroscopica, l'idea che possiamo tenere le parti nelle nostre mani e assemblarle posizionandole correttamente l'una rispetto all'altra risale alla preistoria: ci celebriamo come specie che usa strumenti. Ma l'idea di trattenere e posizionare le molecole è nuova e quasi scioccante. Devono essere sviluppati equivalenti in nanoscala di braccia e mani.

Le attuali proposte di dispositivi posizionali su scala molecolare assomigliano a dispositivi robotici di dimensioni normali, ma sono grandi circa un decimilionesimo. Un braccio robotico molecolare potrebbe spazzare sistematicamente avanti e indietro, aggiungendo e prelevando atomi da una superficie per costruire qualsiasi struttura su cui il computer gli ha ordinato. Un tale braccio, composto da pochi milioni di atomi, potrebbe essere lungo 100 nanometri e circa 30 nanometri. Sebbene avrebbe circa 100 parti mobili, non utilizzerebbe lubrificanti: a questa scala, una molecola di lubrificante è più simile a un pezzo di sabbia. Tali strumenti ultraminiaturizzati dovrebbero essere in grado di posizionare le loro punte entro una piccola frazione di un diametro atomico. Trilioni di tali dispositivi occuperebbero poco più di pochi millimetri cubi (un granello leggermente più grande di una capocchia di spillo).

I bracci molecolari sarebbero colpiti da qualcosa di cui non ci preoccupiamo su scala macroscopica: il rumore termico. Atomi e molecole sono in uno stato costante di oscillazione e oscillazione; più alta è la temperatura, più vigoroso è il movimento. Per mantenere la sua posizione, quindi, un braccio su scala nanometrica deve essere estremamente rigido.

Il materiale più rigido in circolazione è il diamante. La forza e la leggerezza di un materiale dipendono dal numero e dalla forza dei legami che tengono insieme i suoi atomi e dalla leggerezza degli atomi. L'elemento che meglio si adatta a entrambi i criteri è il carbonio, che è leggero e forma legami più forti di qualsiasi altro atomo. Il legame carbonio-carbonio è particolarmente forte; ogni atomo di carbonio può legarsi a quattro atomi vicini. Nel diamante, poi, una fitta rete di forti legami crea un materiale forte, leggero e rigido. Infatti, proprio come abbiamo chiamato l'Età della Pietra, l'Età del Bronzo e l'Età dell'Acciaio dopo i materiali che gli umani potrebbero produrre, potremmo chiamare la nuova epoca tecnologica che stiamo entrando nell'Età del Diamante.

Come può essere prodotto un dispositivo diamantato di questa scala? Una risposta viene dal guardare come coltiviamo il diamante oggi. In un processo che ricorda in qualche modo la verniciatura a spruzzo, costruiamo strato dopo strato di diamante tenendo una superficie in una nuvola di atomi di idrogeno reattivi e molecole di idrocarburi. Quando queste molecole urtano la superficie, la cambiano, aggiungendo, rimuovendo o riorganizzando gli atomi. Controllando attentamente la pressione, la temperatura e l'esatta composizione del gas in questo processo, chiamato deposizione chimica da vapore (CVD), possiamo creare condizioni che favoriscono la crescita del diamante sulla superficie.

Ma bombardare casualmente una superficie con molecole reattive non offre un controllo preciso sul processo di crescita; è come provare a costruire un orologio da polso usando una sabbiatrice. Vogliamo che le reazioni chimiche avvengano esattamente nei punti della superficie che specifichiamo. Un secondo problema è come rendere reattiva la superficie del diamante nei punti particolari in cui vogliamo aggiungere un altro atomo o molecola. Una superficie di diamante è normalmente ricoperta da uno strato di atomi di idrogeno. Senza questo strato, la superficie del diamante grezzo sarebbe altamente reattiva perché sarebbe costellata di legami inutilizzati (o penzolanti) degli atomi di carbonio. Sebbene l'idrogenazione prevenga reazioni indesiderate, rende anche inerte l'intera superficie, rendendo difficile l'aggiunta di carbonio (o qualsiasi altra cosa).

Per superare questo problema, potremmo utilizzare una serie di strumenti su scala molecolare che, in una serie di passaggi, preparerebbero la superficie e creeranno strutture sullo strato di diamante, atomo per atomo e molecola per molecola. Il primo passo nel processo sarebbe rimuovere un atomo di idrogeno da un punto specifico sulla superficie del diamante, lasciando dietro di sé un legame penzolante reattivo. Questo può essere fatto con uno strumento di estrazione dell'idrogeno, una struttura molecolare che ha un'elevata affinità chimica per l'idrogeno a un'estremità ma è inerte altrove. La regione non reattiva dello strumento funge da maniglia. Lo strumento sarebbe tenuto da un dispositivo posizionale molecolare, come il braccio robotico molecolare discusso in precedenza, e spostato direttamente su particolari atomi di idrogeno sulla superficie che desideriamo astrarre.

Questo crea un problema di pollo e uova: abbiamo bisogno di un braccio robotico molecolare per costruire un altro braccio robotico molecolare. Per risolvere questo problema, a un certo punto dobbiamo costruire un braccio robotico molecolare con qualcosa di diverso da un braccio robotico molecolare. Potremmo, ad esempio, utilizzare un dispositivo posizionale macroscopico, come una versione migliorata di un microscopio a forza atomica esistente, per realizzare il nostro primo braccio robotico molecolare. In alternativa, potremmo autoassemblare un dispositivo posizionale molecolare semplificato. Questi primi dispositivi posizionali grezzi potrebbero quindi essere utilizzati per realizzarne di migliori.

Una molecola adatta per uno strumento di estrazione dell'idrogeno è il radicale acetilene, due atomi di carbonio triplicati insieme. Un carbonio sarebbe la maniglia e si collegherebbe a uno strumento di posizionamento su scala nanometrica. L'altro carbonio ha un legame sospeso dove un atomo di idrogeno sarebbe nell'acetilene ordinario. L'ambiente intorno allo strumento sarebbe inerte (le proposte tipiche prevedono l'uso del vuoto o di un gas nobile, come krypton o xeno).

Una volta che questo strumento ha creato un punto reattivo rimuovendo selettivamente gli atomi di idrogeno dalla superficie del diamante, diventa possibile depositare atomi di carbonio nei siti desiderati. In questo modo si costruisce una struttura a diamante, molecola per molecola, secondo i piani. Una proposta per questa funzione è lo strumento di deposizione di dimeri. Un dimero è una molecola costituita da due degli stessi atomi o molecole attaccati insieme. In questo caso, il dimero sarebbe C2-due atomi di carbonio collegati da un triplo legame. Nello strumento di deposizione, ogni carbonio nel dimero sarebbe collegato a una molecola più grande da singoli legami con atomi di ossigeno.

Lo strumento di estrazione dell'idrogeno e lo strumento di deposizione del dimero funzionerebbero insieme (vedi illustrazione sopra). Innanzitutto, lo strumento di astrazione rimuoverebbe due atomi di idrogeno adiacenti dalla superficie del diamante. I due legami penzolanti reagirebbero con le estremità del dimero di carbonio. Questa reazione romperebbe i legami carbonio-ossigeno e quindi trasferirebbe il dimero di carbonio dallo strumento alla superficie. Poiché l'energia rilasciata durante la reazione è molto più grande del rumore termico, il dimero scatterà sulla superficie e vi rimarrà.

Un terzo strumento proposto per realizzare nanostrutture è lo strumento di inserimento del carbene. I carbeni, atomi di carbonio altamente reattivi con due legami penzolanti, reagiranno con (e aggiungeranno un atomo di carbonio a) molte strutture molecolari. I carbeni si inseriscono facilmente in legami doppi o tripli, come il legame nel dimero carbonio-carbonio descritto sopra. Un carbene controllato dalla posizione potrebbe essere attaccato quasi ovunque su un pezzo molecolare in crescita, portando alla costruzione di qualsiasi forma desiderata.

Una quarta proposta riguarda uno strumento per la deposizione di idrogeno. Laddove lo strumento di estrazione dell'idrogeno ha lo scopo di rendere reattiva una struttura inerte creando un legame sospeso, lo strumento di deposizione di idrogeno farebbe il contrario: rendere inerte una struttura reattiva terminando i legami penzolanti. Un tale strumento ci consentirebbe di stabilizzare le superfici reattive e di impedire agli atomi di superficie di riorganizzarsi in modi inaspettati e indesiderati. Il requisito chiave per un tale strumento è che includa un atomo di idrogeno debolmente attaccato. Sebbene molte molecole si adattino a questa descrizione, il legame tra idrogeno e stagno è particolarmente debole; quindi, uno strumento di deposizione di idrogeno a base di stagno dovrebbe essere efficace.

Questi quattro strumenti molecolari dovrebbero consentirci di realizzare un'ampia gamma di strutture rigide, ma solo quelle composte da idrogeno e carbonio. Questo è un obiettivo molto meno ambizioso rispetto al tentativo di utilizzare tutti i circa 100 elementi della tavola periodica. Ma in cambio di limitarci a questa classe più ristretta di strutture, rendiamo molto più facile analizzare quelle che possono essere fabbricate e le reazioni sintetiche necessarie per realizzarle. In ogni caso, questa proposta più ristretta può essere studiata più facilmente e in modo più approfondito rispetto alla nanotecnologia completa. E il diamante e le sue varianti infrangibili rientrano in questa categoria, così come i fogli di fullereni di atomi di carbonio arrotolati in sfere, tubi e altre forme. Questi materiali possono comporre tutte le parti necessarie per dispositivi meccanici di base come montanti, cuscinetti, ingranaggi e bracci robotici.

In definitiva vorremmo aggiungere altri elementi, per creare dispositivi elettronici diamantati, ad esempio, o aggiungere dell'azoto alla superficie interna di un cuscinetto per alleviare la tensione (il legame carbonio-azoto è più lungo del legame carbonio-carbonio) . Tali strutture, composte principalmente da carbonio e idrogeno in combinazione con azoto, ossigeno, fluoro, silicio, fosforo, zolfo o cloro, costituiscono ciò che chiamiamo la classe dei materiali diamantati.

L'età del diamante

Il diamante naturale è costoso, non possiamo realizzarlo nelle forme che vogliamo e si rompe. La nanotecnologia ci consentirà di realizzare a buon mercato diamanti infrangibili (con una struttura che potrebbe assomigliare alle fibre di diamante) esattamente nelle forme che desideriamo. Questo ci permetterebbe di realizzare un Boeing 747 che peserebbe un cinquantesimo delle versioni odierne senza alcun sacrificio in termini di forza. Anche il vantaggio per i viaggi nello spazio sarebbe drammatico. Il rapporto resistenza-peso e il costo dei componenti sono fondamentali per le prestazioni e l'economia delle navi spaziali: la nanotecnologia potrebbe migliorare entrambi questi parametri di circa due ordini di grandezza.

La nanotecnologia potrebbe anche alterare radicalmente l'economia della produzione di energia. Il sole potrebbe fornire ordini di grandezza in più di energia rispetto a quella utilizzata oggi dalle persone, e farlo in modo più pulito e meno costoso dei combustibili fossili e dei reattori nucleari, se solo potessimo produrre celle e batterie solari a basso costo. Sappiamo già come realizzare celle solari efficienti: la nanotecnologia potrebbe abbatterne i costi, rendendo finalmente economica l'energia solare. In questa applicazione non abbiamo bisogno di realizzare dispositivi nuovi o tecnicamente superiori; solo facendo in modo economico ciò che sappiamo già come fare in modo costoso sposteremmo l'energia solare nel mainstream.

La produzione di chip per computer potrebbe subire un profondo cambiamento. Sembrano esserci limiti fondamentali in quanto possiamo migliorare ulteriormente la litografia, il processo attraverso il quale ora vengono realizzati i chip. Nella litografia (letteralmente, scrittura su pietra), tracciamo linee sottili su un wafer di silicio usando metodi presi in prestito dalla fotografia. Un film sensibile alla luce, chiamato resist, viene steso sul wafer di silicio. Il resist è esposto a un complesso schema di luce e buio, come un negativo in una macchina fotografica, e sviluppato. Ripetendo questo processo, è possibile creare un insieme intricato di schemi ad incastro che definisce i complessi elementi logici di un chip per computer.

Ma organizzare gli atomi lanciando fotoni (o altre particelle) su una superficie a distanza non sembra l'approccio migliore, specialmente se vogliamo usare tre dimensioni anziché solo due; immagina di costruire un'auto lanciandogli attrezzi da più di un miglio di distanza. Quindi, se i miglioramenti all'hardware del computer devono continuare al ritmo attuale, tra un decennio o giù di lì dovremo andare oltre la litografia verso una nuova tecnologia di produzione. Sono già stati suggeriti progetti per elementi logici di computer composti da meno di 1.000 atomi, ma ogni atomo in un dispositivo così piccolo deve essere esattamente nel posto giusto. E spruzzare sostanze chimiche in giro semplicemente non può organizzare gli atomi con la precisione necessaria.

Fortunatamente, il diamante è un eccellente materiale elettronico. Supera il silicio in diversi aspetti chiave. Per prima cosa, gli elettroni si muovono più velocemente nel diamante che nel silicio. Il diamante può anche funzionare meglio del silicio ad alte temperature. Questo è importante perché man mano che i chip diventano sempre più veloci, le loro prestazioni sono limitate dalla necessità di dissipare il calore che si accumula nei circuiti.

Il diamante ha questo vantaggio per due ragioni. Innanzitutto, il diamante ha una conduttività termica maggiore rispetto al silicio, che consente al calore di uscire più rapidamente da un transistor diamantato. In secondo luogo, il diamante ha una banda proibita maggiore rispetto al silicio-5,5 elettronvolt, rispetto a 1,1 elettronvolt nel silicio. Il bandgap è la quantità minima di energia richiesta per aumentare un elettrone dal suo stato relativamente immobile nella banda di conduzione del semiconduttore, dove l'elettrone si muove liberamente sotto l'influenza di una tensione. All'aumentare della temperatura, più elettroni acquisiscono l'energia necessaria per saltare nella banda di conduzione. Quando troppi elettroni lo fanno, il dispositivo si trasforma da semiconduttore in conduttore; il transistor va in corto e smette di funzionare. Il bandgap più alto del diamante significa che va in cortocircuito a una temperatura più alta.

Con la nanotecnologia, dovremmo essere in grado di costruire dispositivi di archiviazione di massa in grado di memorizzare più di 100 miliardi di miliardi di byte in un volume delle dimensioni di una zolletta di zucchero e computer paralleli della stessa dimensione in grado di fornire un miliardo di miliardi di istruzioni al secondo. miliardi di volte in più rispetto ai computer desktop di oggi.

La disponibilità di dispositivi su scala nanometrica potrebbe ridefinire radicalmente anche la chirurgia. Oggi c'è una discrepanza fondamentale tra ciò che è necessario per trattare gli infortuni e le capacità dei nostri strumenti. Il macchinario cellulare e molecolare nel nostro tessuto è piccolo e preciso, eppure i bisturi di oggi sono, come si vede da una cellula, falci grezze che squarciano i tessuti, lasciando dietro di sé cellule morte e mutilate. L'unico motivo per cui la chirurgia moderna funziona è la notevole capacità delle cellule di riorganizzarsi, seppellire i loro morti e guarire sulla ferita.

Gli strumenti chirurgici che sono molecolari sia per dimensioni che per precisione dovrebbero consentirci di guarire direttamente, a livello molecolare e cellulare, le lesioni che causano la malattia. Un braccio robotico molecolare lungo meno di 100 nanometri, ad esempio, si adatterebbe facilmente al sistema circolatorio (un singolo globulo rosso ha un diametro di circa 8.000 nanometri) e potrebbe persino infilarsi all'interno di singole cellule.

Un'applicazione sarebbe nella terapia del cancro. Potremmo progettare un piccolo dispositivo in grado di identificare e uccidere le cellule cancerose. Il dispositivo, che incorporerebbe un computer su nanoscala e diversi siti di legame modellati per adattarsi a molecole specifiche, circolerebbe liberamente in tutto il corpo, campionando periodicamente il suo ambiente determinando se i suoi siti di legame erano occupati. Più frequentemente un sito è stato occupato, maggiore è la concentrazione della molecola per la quale quel sito è stato progettato. Un nanodispositivo con una dozzina di diversi tipi di siti di legame potrebbe in questo modo monitorare le concentrazioni di una dozzina di diversi tipi di molecole che si verificano normalmente nel corpo ma le cui concentrazioni l'una rispetto all'altra cambiano quando è presente il cancro. Il computer potrebbe determinare se il profilo delle concentrazioni si adatta a un profilo preprogrammato e, quando viene rilevato un profilo canceroso, rilascerà un veleno che uccide selettivamente le cellule cancerose.

Ciascun dispositivo potrebbe incorporare un sensore di pressione su nanoscala che consentirebbe al killer del cancro di ricevere istruzioni attraverso segnali ultrasonici nell'intervallo dei megahertz. Ascoltando diverse sorgenti di segnali acustici macroscopici, il dispositivo potrebbe determinare la sua posizione all'interno del corpo proprio come un ricevitore radio sulla terra può utilizzare le trasmissioni di diversi satelliti per determinarne la posizione. La consapevolezza della propria posizione all'interno del corpo aiuterebbe il dispositivo a decidere se fosse vicino al cancro. In assenza di informazioni sulla posizione, a volte potrebbe rilasciare erroneamente veleno in una cellula che sembrava essere una cellula cancerosa. Se l'obiettivo era uccidere un cancro al colon, per esempio, un killer del cancro nell'alluce non rilascerebbe il suo veleno, non importa cosa gli dicessero i suoi sensori del cancro.

Come ci arriviamo?

Le meravigliose capacità qui descritte sono, per la maggior parte, teoriche. Come possono essere resi reali? Come possiamo costruire un sistema di produzione programmabile per tutti gli usi utilizzando strumenti altamente reattivi e controllati dalla posizione che potrebbero produrre a buon mercato la maggior parte delle strutture diamantate?

La grandezza di questa sfida non dovrebbe essere sottovalutata. Le proposte attuali per un assemblatore in grado di fabbricare strutture diamantate coinvolgono centinaia di milioni o miliardi di atomi, senza nessun atomo fuori posto. Anche un semplice braccio robotico, che potrebbe essere composto solo da pochi milioni di atomi, dovrebbe essere accompagnato da altri componenti. I bracci robotici funzionerebbero nel vuoto, ad esempio, imponendo la necessità di un guscio attorno al braccio per mantenere quel vuoto. Altri gadget ausiliari che saranno necessari includono ricevitori acustici, computer, cricchetti azionati a pressione e siti di legame. Se ogni operazione, come l'estrazione dell'idrogeno o la deposizione di carbene, in genere gestisce uno o pochi atomi, il tasso di errore deve essere inferiore a uno su un miliardo.

Sebbene tale perfezione sia teoricamente raggiungibile, la tecnologia di oggi non è all'altezza del compito. Un processo di sintesi chimica che i chimici considerano molto buono converte il 99 percento dei reagenti nel prodotto desiderato. Eppure quel rendimento del 99% rappresenta un tasso di errore di uno su 100, che è dieci milioni di volte meno perfetto di quanto desideriamo per una nanotecnologia matura. La sintesi delle proteine ​​dagli amminoacidi da parte dei ribosomi ha un tasso di errore di forse uno su 10.000. Il DNA, basandosi su un'ampia rilevazione e correzione degli errori insieme alla ridondanza incorporata (la molecola ha due filamenti complementari), raggiunge un tasso di errore di circa una base su un miliardo quando si replica.

Nessuna tecnologia esistente può avvicinarsi a questo livello di prestazioni. Una tecnica che può posizionare singoli atomi, ad esempio, è il microscopio a scansione di sonda (SPM), in cui una punta acuminata viene portata sulla superficie di un campione in modo da generare un segnale che ci consente di mappare la superficie da sondare, come un cieco che batte con un bastone per sentire il sentiero davanti a sé. Alcuni SPM spingono letteralmente sulla superficie e notano la forza con cui la superficie spinge indietro. Altri collegano la superficie e la sonda a una sorgente di tensione e misurano il flusso di corrente quando la sonda si avvicina alla superficie. È possibile misurare una serie di altre interazioni sonda-superficie, che vengono utilizzate per creare diversi tipi di SPM.

L'SPM non solo può mappare una superficie, ma può cambiarla depositando singoli atomi e molecole in uno schema desiderato, ad esempio. In un caso ben pubblicizzato, gli scienziati hanno disposto 35 atomi di xeno su una superficie di nichel per formare le lettere che identificano il loro datore di lavoro: IBM. Ma questa manipolazione SPM ha richiesto il raffreddamento a 4 gradi sopra lo zero assoluto, condizioni non esattamente ideali per la produzione su larga scala. Più di recente, gli scienziati IBM hanno disposto con precisione le molecole a temperatura ambiente su una superficie di rame. Tuttavia, le SPM hanno tassi di errore sufficientemente elevati da dover utilizzare metodi di rilevamento e correzione degli errori relativamente sofisticati. E mentre questi sistemi possono muoversi attorno a pochi atomi o molecole, non possono produrre grandi quantità di diamante strutturato con precisione del tipo che potrebbe essere usato per costruire un'auto o un aereo.

Infine, gli SPM di oggi sono troppo lenti. In natura, i ribosomi impiegano decine di millisecondi per aggiungere un singolo amminoacido a una proteina in crescita. Ma se un assemblatore deve fabbricare una copia di se stesso in circa un giorno, e se questo richiede alcune centinaia di milioni di operazioni, allora ogni operazione deve avvenire in una frazione di millisecondo. Un SPM, al contrario, impiega ore per disporre alcuni atomi o molecole. Piuttosto che tentare di risolvere tutti questi problemi in un unico passo da gigante, potremmo affrontarli in modo più incrementale, sviluppando una serie di sistemi intermedi. Un approccio, ad esempio, sarebbe quello di eliminare il requisito che l'assemblatore sia costituito da strutture diamantate. Diamondoid è attraente, come abbiamo visto, per la sua forza, rigidità e proprietà elettriche. Ma un sistema intermedio deve solo essere in grado di realizzare un sistema più avanzato e forse prodotti che sono impressionanti rispetto ai prodotti di oggi. Non deve essere il diamante stesso.

Ciò suggerisce quella che potrebbe essere chiamata nanotecnologia basata su blocchi di costruzione. Piuttosto che costruire diamanti, costruiremo altro materiale da unità molecolari relativamente grandi costituite da decine, centinaia o persino migliaia di atomi. Blocchi così grandi riducono il numero di fasi di assemblaggio, quindi sono necessarie meno operazioni dell'unità e non devono essere altrettanto affidabili. Gli elementi costitutivi solubili che si attaccano solo agli altri elementi costitutivi, non al solvente oa basse concentrazioni di contaminanti, eliminano la necessità di lavorare sotto vuoto.

Nella selezione di tali elementi costitutivi, abbiamo molte scelte: una qualsiasi delle molte molecole che i chimici hanno sintetizzato, o potrebbero ragionevolmente sintetizzare, con le proprietà desiderate. Ogni elemento costitutivo molecolare dovrebbe avere almeno tre siti in cui può collegarsi ad altri elementi costitutivi. Le unità con due siti di legame suggeriscono che i polimeri siano ubiquitari nei sistemi biologici, come DNA, RNA e proteine. I blocchi di costruzione che hanno tre siti di incollaggio rendono molto più semplice la progettazione di strutture tridimensionali rigide.

Tali elementi costitutivi potrebbero essere collegati tra loro utilizzando una qualsiasi di una varietà di reazioni chimiche ben comprese. Una possibilità particolarmente interessante è la reazione di Diels-Alder, in cui un diene (un idrocarburo con doppio legame carbonio-carbonio) può essere fatto reagire con una specifica molecola.

Rispondere ai dubbiosi

Nonostante la plausibilità dello sviluppo delle nanotecnologie, ci sono scettici. Le loro critiche, tuttavia, sono poco informate. Ad esempio, il chimico David Jones, un editorialista di Nature, è stato citato in Scientific American che la costruzione di un assemblatore molecolare era condannata perché i singoli atomi sono sorprendentemente mobili e reattivi. Si combineranno istantaneamente con l'aria ambiente, l'acqua, l'un l'altro, il fluido che sostiene gli assemblatori o gli assemblatori stessi.

Le proposte che coinvolgono strumenti molecolari reattivi, tuttavia, specificano che l'ambiente dovrebbe essere inerte: vuoto o gas nobile; non ci sarebbe aria ambiente con cui reagire. E poiché gli strumenti molecolari sono controllati dalla posizione, non reagiranno tra loro o con l'assemblatore stesso, per lo stesso motivo per cui un saldatore caldo non reagisce con la pelle della persona che lo impugna.

Mi viene spesso chiesto quanto tempo ci vorrà prima che possiamo realizzare computer molecolari, prima che le celle fotovoltaiche poco costose portino energia solare pulita e a basso costo, prima che le navicelle ultraleggere riducano drasticamente il costo dell'esplorazione dello spazio. La risposta scientificamente corretta è: non lo so. Ma guardare a una tecnologia che la nanotecnologia può migliorare - l'informatica - offre una prospettiva. Dai relè elettromeccanici alle valvole termoioniche, dai transistor ai circuiti integrati, negli ultimi 50 anni abbiamo assistito a un calo costante delle dimensioni e dei costi degli elementi logici e a un aumento costante delle loro prestazioni. L'estrapolazione di queste tendenze suggerisce che, affinché la rivoluzione dell'hardware dei computer rimanga nei tempi previsti, sarà necessario lo sviluppo della produzione molecolare entro il 2010 o il 2020.

Naturalmente, estrapolare le tendenze del passato è un metodo filosoficamente discutibile di previsione tecnologica. Sebbene nessuna legge fondamentale della natura ci impedisca di sviluppare la nanotecnologia secondo questo programma (o anche più velocemente), non esiste nemmeno una legge che dica che questo programma non scivolerà. Molto peggio, tuttavia, tali tendenze implicano che esiste un programma prestabilito: la nanotecnologia apparirà inevitabilmente indipendentemente da ciò che facciamo o non facciamo. Nulla potrebbe essere più lontano dalla verità. Il tempo necessario per sviluppare questa tecnologia dipende molto da ciò che facciamo. Se lo perseguiamo sistematicamente, accadrà prima. Se lo ignoriamo, o semplicemente speriamo che qualcuno ci capiti, ci vorrà molto più tempo. Fortunatamente, utilizzando insieme approcci teorici, computazionali e sperimentali, possiamo raggiungere l'obiettivo in modo più rapido e affidabile rispetto all'utilizzo di un singolo approccio da solo. Proprio come Boeing può progettare, costruire e pilotare aeroplani in un computer prima di realizzarli nel mondo reale, possiamo fare lo stesso per la produzione molecolare. Possiamo eliminare rapidamente la maggior parte delle false partenze e dei vicoli ciechi e concentrarci rapidamente sugli approcci migliori.

Come il primo sbarco umano sulla luna, il progetto Manhattan o lo sviluppo del computer moderno, l'avvento della produzione molecolare richiederà gli sforzi coordinati di molte persone per molti anni. Quanto tempo ci vorrà? Molto dipende da quando iniziamo.

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