نانوتکنولوژی مولکولی (MNT) (Molecular nanotechnology) یک فناوری مبتنی بر توانایی ساخت ساختارهایی با مشخصات پیچیده و اتمی با استفاده از مکانوسنتز است. این موضوع از موضوع مواد در مقیاس نانو متمایز است. بر اساس دیدگاه ریچارد فاینمن در مورد کارخانه‌های مینیاتوری که از نانوماشین‌ها برای ساخت محصولات پیچیده (شامل نانوماشین‌های اضافی) استفاده می‌کنند، این شکل پیشرفته نانوتکنولوژی (یا ساخت مولکولی) از مکانوسنتز کنترل‌شده موقعیتی استفاده می‌کند که توسط سیستم‌های ماشین مولکولی هدایت می‌شود. MNT شامل ترکیب اصول فیزیکی نشان‌داده ‌شده توسط بیوفیزیک، شیمی، سایر فناوری‌های نانو و ماشین‌های مولکولی حیات با اصول مهندسی سیستم‌هایی است که در کارخانه‌های مدرن در مقیاس بزرگ یافت می‌شوند.

معرفی

در حالی که شیمی مرسوم از فرآیندهای غیردقیق برای به دست آوردن نتایج غیردقیق استفاده می کند، و زیست شناسی از فرآیندهای غیردقیق برای به دست آوردن نتایج قطعی استفاده می کند، نانوتکنولوژی مولکولی از فرآیندهای قطعی اولیه برای به دست آوردن نتایج قطعی استفاده می کند. میل در نانوتکنولوژی مولکولی ایجاد تعادل بین واکنش‌های مولکولی در مکان‌ها و جهت‌گیری‌های کنترل شده برای به دست آوردن واکنش‌های شیمیایی مورد نظر و سپس ساختن سیستم‌هایی با مونتاژ بیشتر محصولات این واکنش‌ها است.

یک نقشه راه برای توسعهMNT ، یک هدف یک پروژه فناوری گسترده است که توسط Battelle (مدیر چندین آزمایشگاه ملی ایالات متحده) و مؤسسه Foresight رهبری می‌شود. نقشه راه در ابتدا برای تکمیل تا اواخر سال 2006 برنامه ریزی شده بود، اما در ژانویه 2008 منتشر شد. پروژه همکاری نانوکارخانه (Nanofactory Collaboration) یک تلاش مداوم متمرکزتر است که شامل 23 محقق از 10 سازمان و 4 کشور است که در حال توسعه یک دستور کار تحقیقاتی عملی است که به طور خاص با هدف مکانیزم سنتز الماس کنترل شده و توسعه نانو کارخانه الماس انجام می شود. در آگوست 2005، یک کارگروه متشکل از متجاوز از 50 متخصص بین‌المللی از حوزه‌های مختلف توسط مرکز مسئول نانوتکنولوژی سازماندهی شد تا پیامدهای اجتماعی نانوتکنولوژی مولکولی را مطالعه کند.

برنامه ها و قابلیت های پیش بینی شده

مواد هوشمند و نانوحسگرها

هر نوع ماده ای که در مقیاس نانومتری برای یک کار خاص طراحی و مهندسی شود، یک ماده هوشمند است. برای مثال، اگر بتوان موادی را طوری طراحی کرد که به مولکول‌های مختلف واکنش متفاوتی نشان دهند، داروهای مصنوعی می‌توانند ویروس‌های خاص را شناسایی و بی اثر کنند. ساختارهای خود ترمیم شونده پارگی های کوچک سطح را به طور طبیعی مانند پوست انسان ترمیم می کنند.

یک نانوحسگر شبیه یک ماده هوشمند است که شامل یک جزء کوچک در یک ماشین بزرگتر است که به محیط خود واکنش نشان می دهد و به روشی اساسی و عمدی تغییر می کند. یک مثال بسیار ساده: یک حسگر نوری ممکن است، زمانی که نور از یک آستانه مشخص شده عبور می کند یا از آن پایین تر می آید و سیگنالی را به ماشین بزرگتر می فرستد، به طور غیر فعال نور فرودی را اندازه گیری کند و انرژی جذب شده آن را به عنوان الکتریسیته تخلیه کند. چنین حسگری ظاهراً هزینه کمتری دارد و از انرژی کمتری نسبت به یک حسگر معمولی استفاده می‌کند، و در عین حال در همه برنامه‌های مشابه به طور مفید عمل می‌کند - برای مثال، روشن کردن چراغ‌های پارکینگ هنگام تاریک شدن هوا.

در حالی که مواد هوشمند و نانوحسگرها هر دو نمونه‌ای از کاربردهای مفید MNT هستند، اما در مقایسه با پیچیدگی فناوری‌ای که بیشتر با این واژه مرتبط است کمرنگ می‌شوند: نانوروبات تکرار شونده.

تکرار نانو روبات ها

نانوتولیدMNT عموماً با ایده انبوهی از روبات‌های نانومقیاس هماهنگ که با هم کار می‌کنند، پیوند خورده است. این پیشنهاد اولیه توسط K. Eric Drexler در بحث‌های MNT در سال 1986 رایج شد، اما در سال 1992 جایگزین شد. در این پیشنهاد اولیه، نانوروبات‌هایی با توانایی کافی، نانوروبات‌های بیشتری در یک محیط مصنوعی حاوی بلوک‌های ساختمانی مولکولی خاص می‌سازند.

منتقدان هم در امکان‌پذیری نانوروبات‌های خودتکثیر شونده و هم امکان‌سنجی کنترل در صورت دستیابی به نانوروبات‌های خودتکثیر شونده تردید دارند: آنها به احتمال جهش‌هایی اشاره می‌کنند که هرگونه کنترلی را از بین می‌برند و معتقد به تولید مثل تغییرات بیماری‌زای جهش‌یافته هستند. مدافعان اولین شک را با اشاره به این موضوع که اولین ماشین شبیه ساز خودکار در مقیاس ماکرو، ساخته شده از بلوک های لگو، در سال 2002 به صورت آزمایشی ساخته شد و مورد بهره برداری قرار گرفت، پاسخ می دهند. در حالی که مزایای حسی در مقیاس ماکرو در مقایسه با حسگر محدود موجود در مقیاس نانو وجود دارد، پیشنهادها برای سیستم‌های ساخت مکانیکی سنتزی نانومقیاس کنترل‌شده از محاسبه مرده ابزار همراه با طراحی توالی واکنش قابل اعتماد برای اطمینان از نتایج قابل اعتماد استفاده می‌کنند، بنابراین یک حسگر محدود هیچ نقصی ندارد؛ ملاحظات مشابهی در مورد مونتاژ موقعیتی نانو قطعات کوچک اعمال می شود. طرفداران شک دوم را با این استدلال که باکتری ها (ضرورتاً) برای تکامل تکامل یافته اند، پاسخ می دهند، در حالی که می توان از جهش نانوروبات ها به طور فعال با تکنیک های رایج تصحیح خطا جلوگیری کرد. از ایده‌های مشابهی در دستورالعمل‌های آینده‌نگری در زمینه نانوتکنولوژی مولکولی حمایت می‌شود و نقشه فضای طراحی شبیه‌ساز 137 بعدی که اخیراً توسط Freitas و Merkle منتشر شده است، روش‌های پیشنهادی متعددی را ارائه می‌کند که با آن‌ها در اصل می‌توان با طراحی خوب به طور ایمن تکرار کننده ها را کنترل کرد.

با این حال، مفهوم سرکوب جهش این سؤال را مطرح می‌کند: چگونه می‌توان تکامل طراحی در مقیاس نانو را بدون فرآیند جهش تصادفی و انتخاب قطعی به منصه ظهور رساند؟ منتقدان استدلال می کنند که طرفداران MNT جایگزینی برای چنین فرآیند تکاملی در این عرصه نانومقیاس که در آن فرآیندهای انتخاب مبتنی بر حسی مرسوم وجود ندارد، ارائه نکرده اند. محدودیت‌های حسگر موجود در مقیاس نانو می‌تواند کسب موفقیت از شکست را دشوار یا غیرممکن سازد. طرفداران استدلال می کنند که تکامل طراحی باید به طور قطعی و کاملاً تحت کنترل انسان اتفاق بیفتد و از الگوی مهندسی متعارف مدل سازی، طراحی، نمونه سازی، آزمایش، تجزیه و تحلیل و طراحی مجدد استفاده شود.

در هر صورت، از سال 1992، پیشنهادهای فنی برای MNT شامل نانوروبات‌های خودتثبیت‌شونده نمی‌شود، و دستورالعمل‌های اخلاقی اخیر که توسط طرفداران MNT ارائه شده است، خود تکراری بدون محدودیت را ممنوع می‌کند.

نانو روبات های پزشکی

یکی از مهم‌ترین کاربردهای MNT می‌تواند نانوروباتیک پزشکی یا نانوپزشکی باشد، حوزه‌ای که توسط رابرت فریتاس در کتاب‌ها و مقالات متعدد پیشگام شد. توانایی طراحی، ساخت و استقرار تعداد زیادی از نانوروبات‌های پزشکی، حداقل، حذف سریع بیماری و بهبود قابل اعتماد و نسبتاً بدون درد پس از ضربه فیزیکی را ممکن می‌سازد. نانوروبات‌های پزشکی همچنین ممکن است تصحیح راحت نقایص ژنتیکی را امکان‌پذیر کنند و به اطمینان از افزایش طول عمر کمک کنند. بحث‌برانگیزتر، نانوروبات‌های پزشکی ممکن است برای تقویت قابلیت‌های طبیعی انسان مورد استفاده قرار گیرند. یک مطالعه، چگونگی درمان شرایطی مانند تومورها، تصلب شرایین، لخته شدن خون منجر به سکته، تجمع بافت اسکار و محل های عفونت موضعی با استفاده از نانوروبات های پزشکی راگزارش کرده است.

مه سودمندی

نمودار یک مه شکن 100 میکرومتری

یکی دیگر از کاربردهای پیشنهادی نانوتکنولوژی مولکولی «مه سودمندی» است - که در آن ابری از روبات‌های میکروسکوپی شبکه‌ای (ساده‌تر از مونتاژکننده‌ها) شکل و ویژگی‌های خود را تغییر می‌دهند تا اجسام و ابزارهای ماکروسکوپی را مطابق با دستورات نرم‌افزار تشکیل دهند. (مه سودمندی مجموعه ای فرضی از نانوروبات های کوچک است که می تواند یک ساختار فیزیکی را تکرار کند. به این ترتیب، این یک شکل از روباتیک مدولار خود تنظیم مجدد است.) به جای اصلاح شیوه های فعلی مصرف کالاهای مادی به اشکال مختلف، مه سودمندی به سادگی جایگزین بسیاری از اشیاء فیزیکی می شود.

اپتیک آرایه فازی

با این حال، یکی دیگر از کاربردهای پیشنهادیMNT، اپتیک آرایه فازی (PAO) (phased-array optics) است. با این حال، به نظر می رسد که این مشکلی است که با فناوری معمولی در مقیاس نانو قابل حل است. PAO از اصل فناوری میلی متری آرایه فازی اما در طول موج های نوری استفاده می کند. این، امکانِ تکرار هر نوع جلوه نوری را می دهد اما به صورت مجازی. کاربران می توانند هولوگرام، طلوع و غروب خورشید، یا لیزرهای شناور را به هنگام ایجاد حالت درخواست کنند. سیستم‌های PAO در BC Crandall's Nanotechnology: Molecular Speculations on Global Abundance در مقاله برایان ووک "Phased-Array Optics" توضیح داده شده‌اند.

اثرات اجتماعی بالقوه

ساخت مولکولی یک زیر شاخه بالقوه، آینده فناوری نانو است که ساخت ساختارهای پیچیده با دقت اتمی را ممکن می‌سازد. ساخت مولکولی به پیشرفت‌های قابل توجهی در فناوری نانو نیاز دارد، اما پس از دستیابی به آن می‌توان محصولات بسیار پیشرفته را با هزینه‌های کم و در مقادیر زیاد در کارخانه‌های نانویی با وزن یک کیلوگرم یا بیشتر تولید کرد. زمانی که نانوکارخانه ها توانایی تولید نانوکارخانه های دیگر را به دست آورند، تولید ممکن است تنها توسط عوامل نسبتاً فراوانی مانند مواد ورودی، انرژی و نرم افزار محدود شود.

محصولات تولید مولکولی می‌توانند از نسخه‌های ارزان‌تر و تولید انبوه محصولات شناخته‌شده با فناوری پیشرفته تا محصولات جدید با قابلیت‌های افزوده در بسیاری از زمینه‌های کاربردی متغیر باشند. برخی از کاربردهایی که پیشنهاد شده اند عبارتند از مواد پیشرفته هوشمند، نانوحسگرها، نانوروبات های پزشکی و سفر فضایی. علاوه بر این، ساخت مولکولی می‌تواند برای تولید ارزان سلاح‌های بسیار پیشرفته و بادوام مورد استفاده قرار گیرد، که یک منطقه مورد توجه ویژه در رابطه با تأثیر فناوری نانو است. مجهز بودن به رایانه‌ها و موتورهای فشرده می‌تواند به طور فزاینده‌ای مستقل باشد و طیف وسیعی از قابلیت‌ها را داشته باشد.

به گفته کریس فینیکس و مایک تردر از مرکز نانوفناوری مسئولانه و همچنین آندرس سندبرگ از مؤسسه آینده بشریت، ساخت مولکولی کاربرد فناوری نانو است که مهم‌ترین خطر فاجعه‌بار جهانی را به همراه دارد. چندین محقق نانوفناوری بیان می‌کنند که عمده خطرات ناشی از فناوری نانو از پتانسیل منجر به جنگ، رقابت‌های تسلیحاتی و دولت مخرب جهانی ناشی می‌شود. دلایل متعددی پیشنهاد شده است که چرا در دسترس بودن تسلیحات نانوفناوری ممکن است با احتمال قابل توجهی منجر به مسابقات تسلیحاتی ناپایدار شود (در مقایسه با مسابقات تسلیحات هسته ای): (1) تعداد زیادی از بازیکنان ممکن است وسوسه شوند که وارد مسابقه شوند زیرا آستانه انجام این کار پایین است؛ (2) توانایی ساخت سلاح با ساخت مولکولی ارزان خواهد بود و به راحتی پنهان می شود؛ (3) بنابراین عدم بینش نسبت به توانایی های طرف های دیگر می تواند بازیکنان را وسوسه کند که بدون احتیاط مسلح شوند یا اقدام کنند به انجام حملات پیشگیرانه؛ (4) تولید مولکولی ممکن است وابستگی به تجارت بین‌المللی را کاهش دهد، که این یک عامل بالقوه ترویج صلح است، (5) جنگ‌های تجاوزکارانه ممکن است تهدید اقتصادی کوچک‌تری برای متجاوز باشند چون که تولید ارزان است و ممکن است به وجود انسان در میدان جنگ نیاز نباشد.

از آن جایی که دستیابی به خودتنظیمی توسط همه بازیگران دولتی و غیردولتی سخت به نظر می رسد، اقداماتی برای کاهش خطرات مربوط به جنگ عمدتاً در حوزه همکاری بین المللی پیشنهاد شده است. زیرساخت های بین المللی ممکن است گسترش یابد و حاکمیت بیشتری به سطح بین المللی بدهد. این می تواند به هماهنگ کردن تلاش ها برای کنترل تسلیحات کمک کند. مؤسسات بین المللی که به طور خاص به فناوری نانو اختصاص دارند (شاید مشابه آژانس بین المللی انرژی اتمی آژانس بین المللی انرژی اتمی) یا کنترل تسلیحات عمومی نیز ممکن است طراحی شوند. همچنین می‌توان به طور مشترک پیشرفت‌های فناوری متفاوتی را در زمینه فناوری‌های دفاعی انجام داد، سیاستی که معمولاً بازیکنان باید از آن حمایت کنند. مرکز نانوفناوری مسئولانه همچنین برخی محدودیت‌های فنی را پیشنهاد می‌کند. بهبود شفافیت در مورد قابلیت‌های فناوری ممکن است تسهیل‌کننده مهم دیگری برای کنترل تسلیحات باشد.

فواید

نانوتکنولوژی (یا نانوتکنولوژی مولکولی برای اشاره به اهداف مورد بحث در اینجا) به ما اجازه می‌دهد تا روندهای تاریخی در تولید را تا مرزهای اساسی تحمیل شده توسط قوانین فیزیکی ادامه دهیم. این به ما امکان می دهد کامپیوترهای مولکولی بسیار قدرتمندی بسازیم. به ما اجازه می دهد موادی را بیش از پنجاه برابر سبک تر از فولاد یا آلیاژ آلومینیوم بسازیم اما با همان استحکام. ما می‌توانیم جت‌ها، موشک‌ها، ماشین‌ها یا حتی صندلی‌هایی بسازیم که طبق استانداردهای امروزی، بسیار سبک، قوی و ارزان هستند. ابزارهای جراحی مولکولی که توسط رایانه‌های مولکولی هدایت می‌شوند و به جریان خون تزریق می‌شوند می‌توانند سلول‌های سرطانی یا باکتری‌های مهاجم را پیدا کرده و از بین ببرند، شریان‌ها را باز کنند یا در صورت اختلال در گردش خون، اکسیژن را فراهم کنند.

نانوتکنولوژی کل پایه تولید ما را با روشی جدید، کاملاً دقیق تر، کاملاً ارزان تر و کاملاً انعطاف پذیرتر برای تولید محصولات جایگزین خواهد کرد. هدف صرفاً جایگزینی کارخانه‌های تولید تراشه‌های رایانه‌ای امروزی نیست، بلکه جایگزینی خطوط مونتاژ اتومبیل، تلویزیون، تلفن، کتاب، ابزار جراحی، موشک، قفسه کتاب، هواپیما، تراکتور و سایر موارد است. هدف تغییر فراگیر در تولید است، تغییری که عملاً هیچ محصولی را دست نخورده باقی نمی گذارد. پیشرفت اقتصادی و آمادگی نظامی در قرن بیست و یکم اساساً به حفظ موقعیت رقابتی در فناوری نانو بستگی دارد.

علیرغم وضعیت توسعه اولیه فعلی نانوتکنولوژی و نانوتکنولوژی مولکولی، نگرانی های زیادی پیرامون تأثیر پیش بینی شده MNT بر اقتصاد و بر قانون وجود دارد. اثرات دقیق هرچه که باشد، MNT، در صورت موفقیت، تمایل دارد به کاهش کمبود کالاهای تولیدی و بسیاری از کالاها (مانند مواد غذایی و کمک های بهداشتی) را قابل تولید می سازد.

MNT باید قابلیت‌های نانوپزشکی را امکان‌پذیر سازد تا بتواند هر بیماری پزشکی را که قبلاً با پیشرفت‌ها در سایر زمینه‌ها درمان نشده است، درمان کند. سلامتی خوب، معمول است، و سلامتی ضعیف به هر شکلی که باشد به اندازه آبله و اسکوربوت امروزی نادر است. حتی کرایونیک نیز امکان پذیر است، زیرا بافت منجمد شده می تواند به طور کامل ترمیم شود.

خطرات

این ترس وجود دارد که روبات‌های نانومکانیکی، در صورت تحقق، و اگر طراحی شوند تا با استفاده از مواد طبیعی، خود همانندساز شوند (که کاری دشوار است)، می‌توانند کل سیاره را در گرسنگی خود برای مواد خام مصرف کنند، یا به سادگی حیات طبیعی را از بین ببرند – در رقابت با آن برای انرژی (همان طور که در طول تاریخ، زمانی که جلبک‌های سبز آبی ظاهر شدند و از شکل‌های اولیه زندگی پیشی گرفتند، اتفاق افتاد). برخی از مفسران از این وضعیت به عنوان سناریوی «Grey Goo» یا «اکوفاژی» یاد کرده اند. در پرتو این درک از خطر بالقوه، مؤسسه آینده‌نگری، که توسط درکسلر تأسیس شده است، مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها را برای توسعه اخلاقی فناوری نانو آماده کرده است.

مسائل فنی و نقد

امکان‌سنجی فناوری‌های اساسی تحلیل‌شده در نانوسیستم‌ها موضوع یک بررسی علمی رسمی توسط آکادمی ملی علوم ایالات متحده بوده است و همچنین کانون بحث‌های گسترده در اینترنت و مطبوعات رایج بوده است. در سال 2006، آکادمی ملی علوم ایالات متحده گزارش یک مطالعه در مورد ساخت مولکولی را به عنوان بخشی از یک گزارش طولانی تر، تحت عنوان موضوعی از اندازه: بررسی سه ساله ابتکار ملی نانوتکنولوژی، منتشر کرد. کمیته مطالعه، محتوای فنی نانوسیستم ها را بررسی کرد، و در نتیجه گیری خود بیان می کند که هیچ تحلیل نظری فعلی را نمی توان در رابطه با چندین سؤال عملکردی سیستم بالقوه قطعی در نظر گرفت و مسیرهای بهینه برای پیاده سازی سیستم های با کارایی بالا را نمی توان با اطمینان پیش بینی کرد. برای پیشبرد دانش در این زمینه تحقیقات تجربی را توصیه می کند.

منبع: E-drexler