Атомарно точное производство - Atomically precise manufacturing

Атомарно точное производство (APM) это экспериментальное применение нанотехнологии где один атомы и молекулы могут быть точно позиционированы для формирования продуктов, которые полностью безупречны, вплоть до атомарного уровня. В настоящее время технология имеет потенциал в высокотехнологичных областях, таких как квантовые вычисления, но в случае коммерциализации, вероятно, окажет большое влияние на все области производства. APM классифицируется как прорывные технологии, или технология, которая вносит большие изменения в существующую отрасль.^[1][2]

APM все еще находится в стадии разработки, и не было обнаружено простого метода управления атомами. Как только будут достигнуты успехи, и технология станет дешевой и эффективной, APM можно будет коммерциализировать для крупномасштабного использования, что снизит затраты и энергозатраты на производство. Как прорывная технология, APM сначала будет продаваться в таких нишевых областях, как наномедицина и квантовые вычисления, прежде чем они получили широкое распространение.^[1]

Преимущества атомно-точного производства

Традиционные производственные процессы в основном основаны на концепциях дискретного и непрерывного производства. Дискретное производство - это производственная методология, позволяющая производить готовые товары массового производства из предварительно собранных компонентов на сборочной линии. Любой продукт, изготовленный посредством дискретного производства, можно разделить на компоненты, используемые для его сборки. Непрерывное производство можно рассматривать как противоположное. При непрерывном производстве производитель должен следовать установленному рецепту для создания готовой продукции, такой как продукты питания или лекарства. Продукция, изготовленная таким образом, не может быть далее разбита на составляющие. Но хотя оба этих метода производства превосходны для быстро массового производства товаров, они часто расточительны, неэффективны и не могут использоваться для создания продуктов, требующих крайней степени точности из-за их крупномасштабного характера.^[3]

Однако производство с атомарной точностью позволяет создавать чрезвычайно чувствительные продукты. В отраслях, где точность имеет решающее значение, производство с атомарной точностью может стать революционной силой. Например, в растущей области квантовых технологий и вычислений развитие наноплазмонный устройств в стадии реализации. В этих устройствах даже небольшая неточность зазоров между частицами имеет огромное значение для конечного результата. Концепции APM позволяют точно манипулировать частицами, чтобы разработчики и исследователи могли получить правильные результаты.^[4]

Приложения

Концепции APM могут применяться во многих областях исследований и разработок, и некоторые из наиболее многообещающих приложений перечислены ниже.

Относящийся к окружающей среде

APM также может помочь в решении многих экологических проблем, с которыми в настоящее время сталкивается общество. Включение APM в производственные процессы во всем мире могло бы значительно снизить уровень загрязнения, создаваемого промышленностью в настоящее время. Работая на атомарном уровне, эффективность производства может быть значительно увеличена, а отходы могут быть значительно сокращены, поскольку производители теперь имеют почти полный контроль над каждым аспектом производственного процесса.^[5]

APM также может помочь в широкомасштабном внедрении возобновляемых источников энергии. Например, APM может значительно повысить производительность фотоэлектрические системы (солнечная энергия). В настоящее время фотоэлектрические (PV) системы слишком дороги для того количества энергии, которое они производят, чтобы использовать их в качестве основного метода производства энергии для больших городских территорий. Есть надежда, что APM позволит создавать фотоэлектрические системы из более дешевых, более распространенных материалов и, в конечном итоге, сможет отказаться от них. ископаемое топливо как основная форма производства энергии.^[5]

Удаление углекислый газ от атмосфера - еще одно потенциальное применение APM. В настоящее время технология удаления углекислого газа из воздуха существует, но ее неудобно использовать в больших количествах. APM можно использовать, чтобы сделать эту технологию более доступной.^[5]

Квантовые вычисления

В настоящее время, квантовые вычисления ограничен, потому что квантовые компьютеры страдают от большого количества проблем, таких как декогеренция (потеря квантовой природы частицы) и часто борются за правильное выполнение основных функций. В обычных компьютерах проблемы плохих вычислений обычно можно решить, предоставив компьютеру больше памяти, но в настоящее время это неосуществимый вариант для квантовых компьютеров. Единица хранения для квантовых вычислений - это кубит (сокращение от квантового бита) в отличие от нормального кусочек в стандартных вычислениях. Исследователи должны быть очень консервативными при распределении кубитов, потому что в отличие от обычного компьютера, который хранит сотни миллиардов битов, лучшие квантовые компьютеры имеют около 50 кубитов. Поскольку хранилище информации находится в таком дефиците, исследователи не смогли найти способ разделить кубиты между программами исправления ошибок и фактическими вычислениями.^[6]

С применением APM исследователи надеются построить квантовые компьютеры с более крупными модулями хранения, а также с компонентами, которые могут поддерживать когерентное состояние неограниченное время. Как только эти ограничения будут преодолены, квантовые компьютеры смогут найти коммерческое применение.^[7]

Сверхпроводники при комнатной температуре

А сверхпроводник при комнатной температуре это вещество, которое обладает свойством сверхпроводимость (электрическая проводимость без каких-либо резистивных сил) при температурах, которые можно рассматривать как комнатные (выше 0 ° C).^[8] Сверхпроводники при комнатной температуре были очень востребованной технологией из-за их потенциала для значительного повышения энергоэффективности.^[9] Обычно сверхпроводники могут функционировать только в криогенных средах, и разработка сверхпроводников при комнатной температуре была безуспешной до октября 2020 года, когда было обнаружено первое сверхпроводящее вещество при комнатной температуре, состоящее из углерода, водорода и серы.^[10][11]

Однако до коммерциализации этому сверхпроводнику еще далеко. Он может работать только при чрезвычайно высоких давлениях, сопоставимых с давлением ядра Земли.^[10] Чтобы создать сверхпроводники, которые могут функционировать при комнатной температуре и давлении, ученые обращаются к APM, чтобы изменить вещества, чтобы они вели себя иначе.^[9]

Методы

Сканирующий туннельный микроскоп

Текущий перспективный метод производства изделий атомарной точности (AP) находится в стадии разработки в Zyvex Technologies где они планируют использовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для перемещения отдельных атомов. Обычно СТМ используется для фотографирования атомов и молекул, но Zyvex преобразовала их СТМ в машины с необходимой точностью для позиционирования конкретных атомов. Однако STM недостаточно эффективны для использования в крупномасштабных производственных процессах. Текущая цель Zyvex - продвинуть дизайн STM до такой степени, чтобы большая группа из них могла изготавливать товары в промышленных условиях.^[12]

Для совместной работы нескольких сканирующих туннельных микроскопов требуется высочайший уровень координации и точности. Нанопозиционеры (столики, позиционирующие образцы микроскопа с точностью до нанометра) обеспечивают высокий уровень точности.^[13] которые позволяют точно позиционировать по осям x, y и z. Когда нанопозиционеры готовы, можно начинать производственный процесс.^[12]

1. Первым шагом в процедуре Zyvex является создание серии скоординированных производственных устройств STM, которые могут эффективно работать вместе и могут обрабатывать производство большого объема продукции.
2. Затем "управляемая обратной связью микроэлектромеханический система (MEMS) »будет внедрена в STM, что позволит им работать независимо от контроля человека. Включение MEMS позволит STM работать со скоростью от 100 до 1000 раз большей, чем раньше, и с точностью до нанометр, что позволяет использовать его в коммерческих целях.^[12]

Водородная литография

Водород литография это метод APM, специально посвященный хранилище данных. Команда исследователей Университет Альберты использовали водородную литографию для хранения 1,2 петабиты (150,000 гигабайты ) ценность информации в один квадратный дюйм области, что делает эту форму хранения данных примерно в 100 раз более эффективной, чем Блю рей диск. Технология работает с использованием STM для перемещения водород атомы вокруг на кремний субстрат хранить информацию в двоичный как единицы и нули. Присутствие атома водорода в определенном месте означает единицу, а отсутствие атома водорода в определенном месте означает ноль.^[14]

Эта технология представляет собой большой шаг вперед по сравнению с предыдущими версиями высокой плотности. устройства хранения данных которые работали только в сверхспецифических условиях, например при минусовых температуры или в вакуум, что делает их крайне непрактичными. Новый метод хранения, использующий водородную литографию, стабилен при комнатная температура и в стандартное атмосферное давление. Технология также долговечна, способна хранить информацию более половины век.^[14]

Литография депассивации водорода

Литография депассивации водорода (HDL) - вариант электронно-лучевая литография где острие сканирующего туннельного микроскопа модифицировано для излучения холодное поле который запускает крошечный пучок электронов на поверхность, покрытую чувствительной к электронам пленкой, называемой сопротивляться, как правило, из кремния. Затем пучком электронов можно манипулировать для травления рисунков или рисунков на резисте. HDL выполняется в вакууме с температурой от минусовой до 250 ° C. В настоящее время ЛПВП может проводиться в одной из двух форм: до пяти. вольт мощности для создания узоров с атомарной точностью и режим 8 В с более широкой областью воздействия. После того, как дизайн был создан, результат развивается в процессе десорбция. Десорбция - это противоположность абсорбции, когда материал отделяется от поверхности, а не окутывается ею.^[15] В HDL энергии, высвобождаемой при ударе электронов о поверхность кремниевого резиста, достаточно для разрыва химической связи между атомами кремния и водорода, и атом водорода в конечном итоге десорбируется.^[16]

Метод пяти вольт имеет точность до нанометра, но он относительно неэффективен. Модель, подтверждающая атомарную точность этого метода, была создана в виде формулы

${\displaystyle i=KVe^{-2T_{d}{\sqrt {\left({\frac {2\phi m_{e}}{\hbar }}\right)}}}}$

где i - значение туннельного тока в нА (наноамперы ), K - постоянная, равная 0,194, V - смещение между зондом и образцом, e - Число Эйлера, ${\displaystyle T_{d}}$ - размер туннельного зазора микроскопа, Φ - высота локального барьера, ${\displaystyle m_{e}}$- масса электрона, а ${\displaystyle \hbar }$ является Постоянная Планка деленное на ${\displaystyle 2\pi }$.^[16]

Критика и споры

Было высказано множество опасений по поводу потенциальных рисков, которые может создать широкое распространение APM.

Серая слизь

Некоторые эксперты опасаются, что APM может способствовать "серая слизь "сценарий судного дня, в котором самовоспроизводящийся молекулярные ассемблеры (машины, которые существуют в атомном масштабе) неконтролируемо создают свои копии, образуя серую слизь, которая потребляет всю планету в качестве ресурса для продолжения репликации. Однако такой сценарий был бы крайне нереалистичным. Мало того, что эти молекулярные ассемблеры должны быть специально созданы для функции создания серой слизи, но разработка этих ассемблеров потребует огромных ресурсов для начала. Если предположить, что есть люди, которые хотели бы увидеть исчезновение всего живого, у них, вероятно, нет ресурсов, чтобы довести это до конца.^[5][17]

Экономическая

Еще одна серьезная проблема с APM - это негативное влияние на занятость. По своей природе APM является очень технологически сложной средой, и для ее работы требуются высокообразованные операторы. Беспокойство заключается в том, что если экономика переместится в сторону экономики, сильно зависящей от APM, большинство населения не будет иметь необходимой подготовки для достижения успеха, и уровень бедности вырастет.^[5]

Милитаризм

Многие эксперты опасаются, что APM может быть использован для разработки нового разрушительного оружия и спровоцирует еще одну глобальную Холодная война. Удешевив разработку разрушительного оружия, страны могут с большей вероятностью прибегнуть к насилию.^[5]

Наблюдение и конфиденциальность

Очень реалистичным был бы сценарий, при котором правительства и службы безопасности используют APM для производства крошечных камер и другого шпионского ПО, чтобы шпионить за гражданами. Многие исследователи выразили обеспокоенность по поводу нарушения прав, которое может принести этот тип технологии.^[5]

Смотрите также

• Научный портал

• Дебаты Дрекслера-Смолли о молекулярной нанотехнологии
• Нанотехнологии
• Молекулярная машина
• Молекулярный ассемблер

Рекомендации

1. Министерство энергетики США. «Инновации в системах управления сканирующими туннельными микроскопами для высокопроизводительного производства с атомарной точностью» (PDF). Энергия. Получено 2020-11-05.
2. «Подрывные инновации», Википедия, 2020-11-09, получено 2020-11-15
3. «Что такое непрерывное производство? Определение и примеры». Поиск по ERP. Получено 2020-10-26.
4. «Области применения». Zyvex. Получено 2020-10-26.
5. Амбрелло, Стивен; Баум, Сет Д. (июнь 2018 г.). «Оценка нанотехнологий будущего: чистое социальное воздействие производства атомарной точности». Фьючерсы. 100: 63–73. Дои:10.1016 / j.futures.2018.04.007. ISSN  0016-3287.
6. Коулз, Скотт Пакин, Патрик. «Проблема квантовых компьютеров». Сеть блогов Scientific American. Получено 2020-11-15.
7. Форрест, Фрейтас, Якобштейн, Д.Р., Р.А., Н. (8-9-2007). «Приложения для атомно-точного производства с позиционным управлением» (PDF). Получено 2020-11-15. Проверить значения даты в: | дата = (помощь)
8. «Комнатный сверхпроводник», Википедия, 2020-11-02, получено 2020-11-15
9. Форрест, Фрейтас, Якобштейн, Д.Р., Р.А., Н. (8-9-2007). «Приложения для атомно-точного производства с позиционным управлением» (PDF). Проверено 15 ноября 2020 г.. Проверить значения даты в: | дата доступа = и | дата = (помощь)
10. Кастельвекки, Давиде (14.10.2020). «Первый сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, взволновал и сбил с толку ученых». Природа. 586 (7829): 349–349. Дои:10.1038 / d41586-020-02895-0.
11. Снайдер, Эллиот; Дасенброк-Гаммон, Натан; Макбрайд, Раймонд; Дебессай, Мэтью; Виндана, Хиранья; Венкатасами, Кевин; Лоулер, Кейт V .; Саламат, Ашкан; Диас, Ранга П. (2020-10-15). «Комнатная сверхпроводимость в углеродистом серогидриде». Природа. 586 (7829): 373–377. Дои:10.1038 / s41586-020-2801-z. ISSN  0028-0836.
12. Министерство энергетики США (2019). «Инновации в системах управления сканирующими туннельными микроскопами для высокопроизводительного производства с атомарной точностью» (PDF). Энергия. Получено 2020-11-05.
13. "Нанопозиционеры | Пьезо-нано-позиционер | Нанопозиционирование, X, XY, XYZ PiezoStage | Производитель | Поставщик". www.nanopositioners.com. Получено 2020-11-05.
14. «Рекордная твердотельная память хранит данные с плотностью, в 100 раз превышающей плотность Blu-ray». Новый Атлас. 2018-07-26. Получено 2020-11-05.
15. «Десорбция», Википедия, 2020-01-09, получено 2020-11-14
16. Randall, John N .; Оуэн, Джеймс Х. Дж .; Лейк, Джозеф; Шайни, Рахул; Фукс, Эхуд; Махдави, Мохаммад; Moheimani, S.O. Reza; Шефер, Бенджамин Каррион (ноябрь 2018 г.). «Высокопараллельный сканирующий туннельный микроскоп на основе литографии депассивации водорода». Журнал вакуумной науки и технологий B. 36 (6): 06JL05. Дои:10.1116/1.5047939. ISSN  2166-2746.
17. «Риски, связанные с производством с атомарной точностью». Открытая филантропия. 2015-06-08. Получено 2020-11-06.