Atomově přesná výroba - Atomically precise manufacturing

Atomically Precise Manufacturing (APM) je experimentální aplikace nanotechnologie kde svobodný atomy a molekuly lze přesně umístit a vytvářet produkty, které jsou zcela bezchybné, až na atomovou úroveň. Tato technologie má v současné době potenciál ve vysoce technických oblastech, jako je kvantové výpočty, ale pokud by byl uveden na trh, měl by pravděpodobně zásadní dopad ve všech oblastech výroby. APM je klasifikován jako a rušivá technologie, nebo technologie, která vytváří velké množství změn ve stávajícím odvětví.[1][2]

APM je stále v současné době ve vývoji a nebyla objevena žádná snadná metoda manipulace s atomy. Jakmile bude dosaženo pokroku a technologie se stane levnou a efektivní, může být APM komercializováno pro použití ve velkém měřítku a sníží náklady a energetické požadavky na výrobu. Jako rušivá technologie bude společnost APM nejprve uvedena na trh ve specializovaných oblastech, jako je nanomedicína a kvantové výpočty, než se dočkáme širokého využití.[1]

Výhody atomově přesné výroby

Tradiční výrobní procesy jsou založeny hlavně na konceptech diskrétní a procesní výroby. Diskrétní výroba je výrobní metodika, která vyrábí hotové sériově vyráběné zboží vyrobené z předem smontovaných komponent na montážní lince. Jakýkoli produkt vyrobený diskrétní výrobou lze rozdělit na komponenty použité k jeho sestavení. Procesní výroba lze vidět jako opak. V procesu výroby musí výrobce postupovat podle stanoveného receptu a vytvářet hotové výrobky, jako jsou potraviny nebo léky. Takto vyrobené výrobky nelze dále členit na jednotlivé složky. I když jsou obě tyto výrobní metody vynikající pro rychle se hromadně vyrábějící zboží, jsou často nehospodárné, neefektivní a nelze je použít k výrobě produktů, které vzhledem ke své povaze ve velkém měřítku vyžadují extrémní přesnost.[3]

Atomově přesná výroba má však úroveň přesnosti pro vytváření extrémně citlivých produktů. V průmyslových odvětvích, kde je přesnost kritická, může být atomově přesná výroba revoluční silou. Například v rostoucí oblasti kvantové technologie a výpočetní techniky, vývoj nanoplazmonický zařízení právě probíhá. U těchto zařízení má i malá část nepřesnosti mezer mezi částicemi obrovský dopad na konečný výsledek. Koncepty APM umožňují přesnou manipulaci s částicemi, aby vývojáři a vědci mohli získat správné výsledky.[4]

Aplikace

Koncepty APM lze aplikovat na mnoho oblastí výzkumu a vývoje a některé z nejslibnějších aplikací jsou uvedeny níže.

Životní prostředí

APM má také potenciál pomoci při řešení mnoha environmentálních problémů, kterými se společnost v současné době zabývá. Začlenění APM do globálních výrobních procesů by mohlo výrazně snížit množství znečištění vytvořeného v současné době průmyslovým odvětvím. Provozováním na atomové úrovni lze efektivitu výroby značně zvýšit a odpad lze exponenciálně snížit, protože výrobci mají nyní téměř úplnou kontrolu nad všemi aspekty výrobního procesu.[5]

APM může také pomoci s rozsáhlou implementací obnovitelných zdrojů energie. Například APM má potenciál značně zvýšit produktivitu fotovoltaické systémy (solární energie). V současné době jsou fotovoltaické (FV) systémy příliš nákladné na to, aby množství energie, které produkují, bylo možné použít jako primární metodu výroby energie pro velké městské oblasti. Naděje je, že APM umožní, aby FV systémy byly vytvářeny z levnějších, běžnějších materiálů a nakonec mohly být vyřazeny fosilní paliva jako primární forma výroby energie.[5]

Odstranění oxid uhličitý z atmosféra je další potenciální aplikace pro APM. V současné době existuje technologie odstraňování oxidu uhličitého ze vzduchu, ale je nepohodlné ji používat ve velkém množství. K zpřístupnění této technologie lze použít APM.[5]

Kvantové výpočty

V současné době, kvantové výpočty je omezený, protože kvantové počítače jsou sužovány širokou škálou problémů, jako je dekoherence (ztráta kvantové povahy částice) a často se snaží správně vykonávat základní funkce. V normálních počítačích lze problémy se špatným výpočtem obvykle vyřešit poskytnutím většího úložiště počítači, ale to v současné době není pro kvantové počítače proveditelnou volbou. Jednotkou úložiště pro kvantové výpočty je a qubit (zkratka pro kvantový bit) na rozdíl od normálu bit ve standardním výpočtu. Vědci musí být při přidělování qubitů velmi konzervativní, protože na rozdíl od typického počítače, který obsahuje stovky miliard bitů, mají nejlepší kvantové počítače kolem 50 qubitů. Vzhledem k tomu, že nabídka informací je v tak omezeném množství, nebyli vědci schopni najít způsob, jak rozdělit qubits mezi programy pro opravu chyb a skutečný výpočet.[6]

S aplikací APM vědci doufají, že budou schopni stavět kvantové počítače s většími paměťovými moduly a také komponenty, které dokážou udržovat koherentní stav neomezeně dlouho. Jakmile budou tato omezení přijata, mohou kvantové počítače začít vidět komerční aplikaci.[7]

Supravodiče pokojové teploty

A supravodič pokojové teploty je látka, která má vlastnost supravodivost (elektrické vedení s absolutně žádnými odporovými silami) při teplotách, které lze považovat za pokojové teploty (nad 0 ° C).[8] Supravodiče pro pokojovou teplotu byly velmi vyhledávanou technologií kvůli potenciálu, který mají k významnému zvýšení energetické účinnosti.[9] Supravodiče obvykle mohou fungovat pouze v kryogenním prostředí a vývoj supravodiče při pokojové teplotě byl neúspěšný až do října 2020, kdy byla objevena první supravodivá látka pro pokojovou teplotu - vyrobená z uhlíku, vodíku a síry.[10][11]

Tento supravodič má však stále daleko od komercializace. Může fungovat pouze při extrémně vysokých tlacích srovnatelných s tlakem zemského jádra.[10] Vědci se při vytváření supravodičů, které mohou fungovat při pokojové teplotě a tlaku, obracejí na APM, aby upravily látky tak, aby se chovaly odlišně.[9]

Metody

Skenovací tunelový mikroskop

Současná perspektivní metoda výroby atomově přesného (AP) zboží je ve vývoji na Zyvex Technologies kde plánují použít a skenovací tunelovací mikroskop (STM) k pohybu jednotlivých atomů. Typicky se STM používá k fotografování atomů a molekul, ale Zyvex převedl jejich STM na stroje s požadovanou přesností k umístění konkrétních atomů. STM však nejsou dostatečně efektivní, aby mohly být použity ve velkých výrobních procesech. Současným cílem společnosti Zyvex je pokročit v konstrukci STM do bodu, kdy velká skupina z nich může vyrábět zboží v průmyslovém prostředí.[12]

Aby bylo možné, aby více skenovacích tunelovacích mikroskopů fungovalo společně, je nutná extrémní úroveň koordinace a přesnosti. Hlavní úroveň přesnosti zajišťují nanopositionery (fáze, které umisťují vzorky mikroskopu na přesnost v rámci nanometru)[13] které umožňují přesné umístění na osách x, yaz. Jakmile budou nanopozice připraveni, může začít výrobní proces.[12]

  1. Prvním krokem v postupu společnosti Zyvex je konstrukce řady koordinovaných výrobních zařízení STM, která mohou efektivně spolupracovat a zvládnou produkci velkého objemu produktu.
  2. Poté „řízeno zpětnou vazbou mikroelektromechanické systém (MEMS) "bude implementován do STM, který jim umožní fungovat nezávisle na lidském dohledu. Začlenění MEMS umožní STM pracovat kdekoli od 100 do 1000krát vyšší rychlostí než dříve a s přesností do nanometr, což umožňuje komerční využití.[12]

Vodíková litografie

Vodík litografie je metoda APM, která se konkrétně točí kolem datové úložiště. Tým výzkumníků na University of Alberta použili vodíkovou litografii k uložení 1.2 petabits (150,000 gigabajty ) hodnota informací do jednoho čtvereční palec oblast, což činí tuto formu ukládání dat stokrát efektivnější než a Modrý paprsek disk. Tato technologie funguje pomocí STM k pohybu vodík atomy kolem na a křemík Podklad ukládat informace do binární jako jednotky a nuly. Přítomnost atomu vodíku v určitém místě znamená jeden a nepřítomnost atomu vodíku v určitém místě znamená nulu.[14]

Tato technologie představuje velký skok vpřed z předchozích iterací s vysokou hustotou paměťová zařízení které fungovaly pouze za ultra specifických podmínek, jako například při mrazu teploty nebo v vakuum, což je činí velmi nepraktickými. Nová metoda skladování využívající vodíkovou litografii je stabilní pokojové teploty a v standardní atmosférický tlak. Tato technologie je také dlouhodobá a je schopna ukládat informace déle než půl hodiny století.[14]

Litografie odplynění vodíku

Vodíková depasivační litografie (HDL) je variantou litografie elektronového paprsku kde je špička rastrovacího tunelového mikroskopu upravena tak, aby emitovala a studené pole který vystřeluje nepatrný paprsek elektronů na povrch pokrytý filmem citlivým na elektrony zvaným a odolat, obvykle vyrobené z křemíku. Paprsek elektronů lze poté manipulovat tak, aby leptal designy nebo vzory na rezistoru. HDL se provádí ve vakuu s teplotami v rozmezí od mrazu do přibližně 250 ° C. V současné době lze HDL provádět v jedné ze dvou forem: až pěti voltů síly k vytvoření atomově přesných vzorů a režim 8 voltů s širší oblastí účinku. Jakmile je návrh vytvořen, je výsledek vyvinut procesem desorpce. Desorpce je opakem absorpce, kdy se materiál odděluje od povrchu, místo aby ho obalil.[15] V HDL je energie uvolněná, když elektrony narazí na povrch křemíkového odporu, dostatečná k rozbití chemické vazby mezi atomy křemíku a vodíku a atom vodíku končí desorpcí.[16]

Metoda pěti voltů má přesnost na vzdálenosti pod nanometr, ale je relativně neúčinná. Byl vytvořen model, který dokazuje, že tato metoda je atomově přesná, zobrazený jako vzorec

kde i je hodnota tunelového proudu v nA (nanoampéři ), K je konstanta rovná 0,194, V je odchylka mezi špičkou a vzorkem, e je Eulerovo číslo, je velikost tunelovací mezery mikroskopu, Φ je výška místní bariéry, je hmotnost elektronu a je Planckova konstanta děleno .[16]

Kritiky a diskuse

Byly vzneseny různé obavy ohledně možných rizik, která by APM mohla rozšířit.

Grey Goo

Někteří odborníci se obávají, že by APM mohla přispět k „šedá goo "scénář soudného dne, ve kterém samoreplikující se molekulární assemblery (stroje, které existují v atomovém měřítku) nekontrolovatelně vytvářejí kopie sebe samých a vytvářejí šedou skvrnu, která spotřebovává celou planetu jako prostředek pro pokračování replikace. Takový scénář by však byl extrémně nereálný. Nejen, že by tyto molekulární assemblery musely být účelově konstruovány pro funkci vytváření šedého goo, ale vývoj těchto assemblerů by vyžadoval mimořádné množství zdrojů. Za předpokladu, že vůbec existují lidé, kteří by chtěli vidět vyhynutí všeho života, pravděpodobně nemají prostředky, aby to mohli prožít.[5][17]

Hospodářský

Dalším významným problémem APM je negativní dopad, který by mohl mít na zaměstnanost. APM je ze své podstaty velmi technologicky složité médium a bude vyžadovat provedení vysoce vzdělaných operátorů. Existuje obava, že pokud se ekonomika posune směrem k ekonomice, která je silně závislá na APM, nebude mít většina populace potřebné vzdělání, aby byla úspěšná, a míra chudoby poroste.[5]

Militarismus

Mnoho odborníků se obává, že by APM mohlo být použito k vývoji nových, ničivých zbraní a zažehnout další globální Studená válka. Díky tomu, že vývoj destruktivních zbraní bude levnější, se země pravděpodobněji zapojí také do násilí.[5]

Dozor a ochrana osobních údajů

Velmi realistickým scénářem by byl scénář, ve kterém vlády a bezpečnostní agentury používají APM k výrobě drobných kamer a dalšího spywaru za účelem špehování občanů. Mnoho vědců vyjádřilo obavy z porušování práv, které by tento typ technologie mohl přinést.[5]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Americké ministerstvo energetiky. „Inovace ve skenování řídicích systémů tunelového mikroskopu pro vysoce výkonnou atomově přesnou výrobu“ (PDF). Energie. Citováno 2020-11-05.
  2. ^ „Rušivá inovace“, Wikipedia, 2020-11-09, vyvoláno 2020-11-15
  3. ^ „Co je to výroba procesů? Definice a příklady“. Hledat. Citováno 2020-10-26.
  4. ^ "Oblasti použití". Zyvex. Citováno 2020-10-26.
  5. ^ A b C d E F G Umbrello, Steven; Baum, Seth D. (červen 2018). „Hodnocení budoucí nanotechnologie: Čisté společenské dopady atomově přesné výroby“. Futures. 100: 63–73. doi:10.1016 / j.futures.2018.04.007. ISSN  0016-3287.
  6. ^ Coles, Scott Pakin, Patrick. „Problém s kvantovými počítači“. Scientific American Blog Network. Citováno 2020-11-15.
  7. ^ Forrest, Freitas, Jacobstein, D.R., R.A., N. (8. – 9. 2007). „Aplikace pro pozičně řízené atomově přesné výrobní kapacity“ (PDF). Citováno 2020-11-15. Zkontrolujte hodnoty data v: | datum = (Pomoc)CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  8. ^ "Supravodič pokojové teploty", Wikipedia, 2020-11-02, vyvoláno 2020-11-15
  9. ^ A b Forrest, Freitas, Jacobstein, D.R., R.A., N. (8. – 9. 2007). „Aplikace pro pozičně řízené atomově přesné výrobní kapacity“ (PDF). Citováno 2020-11-15-. Zkontrolujte hodnoty data v: | datum přístupu = a | datum = (Pomoc)CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  10. ^ A b Castelvecchi, Davide (2020-10-14). „První supravodič pokojové teploty vzrušuje - a přepážky - vědce“. Příroda. 586 (7829): 349–349. doi:10.1038 / d41586-020-02895-0.
  11. ^ Snider, Elliot; Dasenbrock-Gammon, Nathan; McBride, Raymond; Debessai, Mathew; Vindana, Hiranya; Vencatasamy, Kevin; Lawler, Keith V .; Salamat, Ashkan; Dias, Ranga P. (2020-10-15). „Supravodivost při pokojové teplotě v hydridu uhlíkatého síry“. Příroda. 586 (7829): 373–377. doi:10.1038 / s41586-020-2801-z. ISSN  0028-0836.
  12. ^ A b C Americké ministerstvo energetiky (2019). „Inovace ve skenování řídicích systémů tunelového mikroskopu pro vysoce výkonnou atomově přesnou výrobu“ (PDF). Energie. Citováno 2020-11-05.
  13. ^ "Nanopositioners | Piezo Nano-Positioner | Nanopositioning, X, XY, XYZ PiezoStage | Výrobce | Dodavatel". www.nanopositioners.com. Citováno 2020-11-05.
  14. ^ A b „Rekordní polovodičová paměť ukládá data stokrát vyšší než hustota Blu-ray“. Nový Atlas. 2018-07-26. Citováno 2020-11-05.
  15. ^ „Desorpce“, Wikipedia, 2020-01-09, vyvoláno 2020-11-14
  16. ^ A b Randall, John N .; Owen, James H. G .; Lake, Joseph; Saini, Rahul; Fuchs, Ehud; Mahdavi, Mohammad; Moheimani, S. O. Reza; Schaefer, Benjamin Carrion (listopad 2018). „Vysoce paralelní skenovací tunelovací mikroskop na bázi vodíkové depasivace litografie“. Journal of Vacuum Science & Technology B. 36 (6): 06JL05. doi:10.1116/1.5047939. ISSN  2166-2746.
  17. ^ „Rizika atomově přesné výroby“. Otevřená filantropie. 2015-06-08. Citováno 2020-11-06.