Debata Drexler – Smalley o molekulární nanotechnologii - Drexler–Smalley debate on molecular nanotechnology

Debata mezi K. Eric Drexler a Richard Smalley o proveditelnosti molekulární assemblery byla zahájena v roce 2001 a ukončena krycím příběhem v roce 2006 Chemické a technické novinky v roce 2003.

The Debata Drexler – Smalley o molekulární nanotechnologii byl veřejný spor mezi K. Eric Drexler, původce koncepčního základu molekulární nanotechnologie, a Richard Smalley, příjemce z roku 1996 Nobelova cena za chemii za objev nanomateriál buckminsterfullerene. Spor byl o proveditelnosti stavby molekulární assemblery, což jsou molekulární stroje které by mohly roboticky sestavovat molekulární materiály a zařízení manipulací s jednotlivými atomy nebo molekulami. Koncept molekulárních assemblerů byl ústředním bodem Drexlerovy koncepce molekulární nanotechnologie, ale Smalley tvrdil, že základní fyzikální principy by jim zabránily, aby byly vůbec možné. Oba také obchodovali s obviněním, že koncepce druhé strany nanotechnologie byla škodlivá pro veřejné vnímání této oblasti a ohrožovala pokračující veřejnou podporu výzkumu nanotechnologií.

Debata probíhala v letech 2001 až 2003 prostřednictvím řady publikovaných článků a otevřená písmena. Začalo to článkem Smalley z roku 2001 Scientific American, po kterém následovala a vyvracení publikoval Drexler a spolupracovníci později ten rok a dva otevřené dopisy Drexler na začátku roku 2003. Debata byla uzavřena koncem roku 2003 funkcí „Point-Counterpoint“ v Chemické a technické novinky kterého se zúčastnily obě strany.

Debata byla často citována v historie nanotechnologie kvůli slávě jeho účastníků a jeho komentáři k technickým i sociálním aspektům nanotechnologie. Rovněž byla široce kritizována za svůj kontradiktorní tón, přičemž Drexler obviňoval Smalleyho z toho, že veřejně zkresloval jeho práci, a Smalley obviňoval Drexlera, že nerozuměl základní vědě, což způsobilo, že komentátoři šli tak daleko, že charakterizovali tón debaty podobně jako „ A čůrání "^[1] a „připomínající [a] Sobotní noční život skica".^[2]

Účastníci

K. Eric Drexler

K. Eric Drexler vyvinul a popularizoval koncept nanotechnologie a založil pole molekulární nanotechnologie.

K. Eric Drexler je obecně považován za autora první odborné práce na téma nanotechnologie,^[3][4] a byla klíčovou postavou v popularizaci těchto konceptů prostřednictvím několika publikací a advokačních prací.^[3][5] Drexler, který byl vyškolen jako inženýr, byl inspirován tehdy temným rozhovorem fyzika z roku 1959 Richard Feynman volala Dole je spousta místa, který předpokládal, že by mělo být fyzicky možné manipulovat s jednotlivými atomy pomocí vzhůru nohama inženýrské metodiky. Drexler byl také inspirován nedávným pokrokem v molekulární biologie jako rekombinantní DNA technologie. V publikaci z roku 1981 v Sborník Národní akademie věd, považovaný za první článek v časopise o nanotechnologiích, tvrdil, že biologické systémy jako např ribozom již byli schopni vytvářet molekuly atom po atomu a umělé stroje s touto schopností by také mohly být konstruovány. Drexler dále vydal dvě knihy o nanotechnologiích: Motory stvoření v roce 1986, který byl určen pro veřejnost, a technické práce Nanosystémy v roce 1992. Spoluzaložil také Foresight Institute, veřejná zájmová skupina věnovaná zvyšování povědomí veřejnosti a informací o molekulární nanotechnologii.^[3]

Drexlerova vize nanotechnologie, nyní nazývaná molekulární nanotechnologie, je založen na konceptu molekulární assembler, a molekulární stroj který by vyráběl molekuly a molekulární zařízení atom za atomem. Drexler rozlišoval mezi mokrá nanotechnologie založené na biologických systémech a suché nanotechnologii „druhé generace“, na které by bylo založeno mechanosyntéza, polohové řízení molekul prostřednictvím principů více souvisejících s strojírenství. Drexler a jeho následovníci se téměř výlučně zaměřili na druhou formu molekulární nanotechnologie, ale Drexler uvedl, že oba jsou platné cesty k vytváření systémů molekulárních strojů.^[3]

Richard Smalley

Richard E. Smalley, chemik ve společnosti Rice University, byl nejlépe známý jako spoluobjevitel C.₆₀ forma uhlíku známý jako buckminsterfullerene v roce 1985 spolu s Harry Kroto, Robert Curl, James Heath, a Sean O'Brien. Buckminsterfullerene byl první objevený ve třídě molekul známých jako fullereny, který také zahrnuje uhlíkové nanotrubice. Studium a aplikace fullerenů tvoří významnou část oborů nanomateriály a nanoelektronika a Smalley, Kroto a Curl byli oceněni v roce 1996 Nobelova cena za chemii za jejich objev.^[6]

Smalley se také ujal prominentní pozice veřejná politika roli ve vztahu k nanotechnologiím a byl přímým zastáncem využívání nanotechnologií k vývoji řešení světových energetických a zdravotních problémů, například zvyšování možnosti používání nanomateriálů pro efektivní skladování a přenos energie a vývoje léky na bázi nanomateriálů pro cílené podávání léků. Smalley byl také aktivní v komercializaci svého akademického výzkumu uhlíkových nanotrubiček, založil Carbon Nanotechnologies Inc. a pracoval ve vědecké poradní radě dalších dvou biotechnologií a nanotechnologií startupy. Smalley zemřel leukémie v říjnu 2005, po ukončení jeho debaty s Drexlerem.^[7][8]

Debata

Smalley je Scientific American článek

Smalley's 2001 Scientific American článek pochybuje o proveditelnosti molekulární assemblery vedlo k vyvrácení Drexlerem a jeho kolegy.

Smalley napsal článek „Of Chemistry, Love and Nanobots“ k číslu září 2001 populární věda časopis Scientific American, což bylo speciální číslo na téma nanotechnologie.^[9] Smalley se otevřel porovnáním chemické reakce se složitým tancem atomů:

Když se chlapec a dívka zamilují, často se říká, že chemie mezi nimi je dobrá. Toto běžné používání slova „chemie“ v mezilidských vztazích se blíží jemnosti toho, co se ve skutečnosti děje v pozemském spojení molekul. V chemické reakci mezi dvěma „souhlasícími“ molekulami se tvoří vazby mezi některými atomy v tom, co je obvykle složitý tanec zahrnující pohyb ve více dimenzích ... A pokud je chemie opravdu, opravdu dobrá, molekuly, které reagují, budou všichni vyrábějí přesný požadovaný produkt.

Odkázal na myšlenku a molekulární assembler, a nanorobot schopný manipulovat s jednotlivými atomy, aby vytvořil požadovaný produkt, což vyvolává otázku, jak dlouho by takovému asemblerovi trvalo vyprodukovat smysluplné množství materiálu. Odhadoval, že jednomu samotnému montérovi bude jeho výroba trvat miliony let krtek materiálu, ale samoreplikující se asembleri mohli během minuty vyrobit dostatečně velký soubor asemblerů, kteří by pak byli schopni vyrobit krtek produktu za zlomek milisekundy. Smalley poté diskutoval o strachu, že nanoroboti mohou mutovat a reprodukovat se neomezeně dlouho, což způsobí a šedá goo scénář, nebo s odkazem na Bill Joy předchozí článek “Proč nás budoucnost nepotřebuje „, že se nanoroboti mohli vyvinout rojová inteligence a v určitém smyslu přežít.

Smalley poté zvážil, jak realistický byl koncept samoreplikujícího se nanorobota. Poznamenal, že při chemické reakci chemické vazby všechny jsou vzájemně propojeny a že umístění každého atomu je citlivé na polohu všech ostatních atomů v okolí. Poté tvrdil, že molekulární assembler bude muset ovládat mnoho atomů současně, aby mohl pracovat, a bude tedy muset mít mnoho manipulačních ramen. To ho vedlo ke vznesení dvou námitek proti konceptu molekulárního assembleru, který nazval „problém tlustých prstů“ a „problém lepivých prstů“:

Protože prsty manipulačního ramene musí být samy vyrobeny z atomů, mají určitou neredukovatelnou velikost. V reakční oblasti o velikosti nanometrů prostě není dostatek místa pro všechny prsty všech manipulátorů nezbytných k úplné kontrole chemie ... [Také] atomy rukou manipulátoru se budou k atomu přilnout který se přesouvá. Uvolnit tento nepatrný stavební blok přesně na správném místě bude často nemožné. Oba tyto problémy jsou zásadní a nelze se jim vyhnout. Samoreplikující se mechanické nanoboty v našem světě prostě nejsou možné.

Smalley uzavřel článek návratem k analogii chemie jako tanci lásky a poznamenal, že „nedopustíte, aby se dívka a chlapec zamilovali tím, že je spojíte dohromady.“

Drexlerova odpověď

Nahoře, schéma ribozom, který Drexler uvedl jako příklad biologického molekulární stroj díky své schopnosti přesně konstruovat protein makromolekuly z menších aminokyseliny. An animovaná verze je také k dispozici. Dole, schéma a skenovací tunelovací mikroskop, který Drexler citoval jako schopný manipulovat s jednotlivými molekulami polohové ovládání.

Drexler reagoval zveřejněním vyvrácení později v roce 2001 prostřednictvím Ústav pro molekulární výrobu, který byl spoluautorem s dalšími, včetně Robert Freitas, J. Storrs Hall, a Ralph Merkle.^[10] Autoři nejprve diskutovali o argumentu „tlusté prsty“ tím, že napadli Smalleyovu představu, že chemická reakce musí zahrnovat pět až patnáct atomů, přičemž uvedli, že mnoho reakcí zahrnuje pouze dva reaktanty, z nichž jeden může být imobilizován a druhý připojen k jedinému „prstu“ . Jako důkaz uvedli experimentální a teoretické výsledky naznačující, že použití skenovací tunelovací mikroskop Tipy (STM) a související technologie by mohly být použity jako reaktivní struktura pro řízení polohy a pro interakci s povrchově vázanými molekulami. Rovněž poznamenali, že atomově přesné konečné produkty nevyžadují přesnou kontrolu všech aspektů chemické reakce. Autoři poznamenali, že problém „lepivých prstů“ je v některých reakcích platný, ale tvrdí, že by bylo mylné dospět k závěru, že tento problém mají všechny reakce.

Autoři navrhli ribozom jako příklad přírodního molekulárního stroje; protože ribozom netrpí žádným problémem, nesmí být zásadní a říká:

Tento všudypřítomný biologický molekulární assembler netrpí ani problémem „tlustého prstu“, ani „lepkavého prstu“. Pokud jsou, jak tvrdí Smalley, oba problémy „zásadní“, tak proč by bránily vývoji mechanických montérů a ne biologických montérů? Pokud lze třídu molekulárních struktur známých jako proteiny syntetizovat pomocí pozičních technik, tak proč bychom očekávali, že neexistují žádné další třídy molekulárních struktur, které by mohly být syntetizovány pomocí pozičních technik?

Autoři také zpochybňovali Smalleyovy údaje o době replikace nanostrojů. Namísto čísla Smalleyho o frekvenci atomového umístění 1 GHz poukazují na to Nanosystémy navrhl frekvenci 1 MHz, tisíckrát pomalejší, a že na Smalleyově vyšší frekvenci by se diamantové nanomachiny přehřívaly a rozkládaly během milisekund. Autoři to nazvali a slaměný muž argument, který píše, že „ve vážné vědecké diskusi nesoulad tří řádů mezi tím, co bylo navrženo v literatuře, a tím, co je kritizováno, naznačuje přinejlepším nedostatečné pochopení návrhu.“ Autoři uzavírají konstatováním, že nejlepším způsobem, jak zjistit, zda jsou molekulární asembleri proveditelní, jsou experimentální a teoretické práce a že „existuje mnoho hodných výzev v oblasti inženýrství molekulárních systémů, které je třeba překonat, ale doposud neexistoval žádný věrohodný argument, že by tyto zařízení jsou neproveditelná. “

Drexler navázal dvěma otevřenými dopisy společnosti Smalley v dubnu a červenci 2003. Dubnový dopis^[11] začal: „Napsal jsem tento otevřený dopis, abych napravil vaše veřejné zkreslování mé práce.“ Drexler obvinil Smalleyho z pokračujícího odmítání jeho práce veřejným popisem molekulárních asemblerů jako požadavku toho, co nyní Drexler nazývá „Smalley prsty“, což podle něj není podobné enzymovým systémům, které ve skutečnosti navrhoval. Tvrdil:

Nemožnost „prstů Smalley“ nevyvolala ve výzkumné komunitě žádné obavy, protože tyto prsty neřeší žádné problémy, a proto se neobjevují v žádných návrzích. Vaše spoléhání se na tento útok slamáka by mohlo vést pozorného pozorovatele k podezření, že nikdo nezjistil platnou kritiku mé práce. Za to bych snad měl poděkovat.

Drexler porovnal důležitost debaty o nanotechnologiích s významem diskusí o vesmírných letech dříve Sputnik nebo k teoretické práci na jaderná chemie před Projekt Manhattan. Popadl Smalleyho argumenty, že strach ze scénáře šedivé krize by bránil dalšímu financování nanotechnologického výzkumu, a tvrdil, že díky potenciálu dlouhodobých rizik je výzkum ještě důležitější. Jeho závěr uvedl: „Vaše nesprávně nasměrované argumenty zbytečně zmátly veřejnou diskusi o skutečných dlouhodobých bezpečnostních obavách.“

Dopis z července 2003^[12] odkazoval na zprávu od Smalleyho, která slibovala odpověď, která dosud nebyla splněna. Drexler zmiňuje nesrovnalosti v předchozích veřejných prohlášeních společnosti Smalley o konstrukci atomu za atomem a na závěr uvedl: „Obvykle bych problém nevytvářel tak vytrvale, ale otázka toho, čeho může nanotechnologie nakonec dosáhnout, je dnes možná nejzásadnějším problémem v této oblasti - formuje základní cíle a očekávání - a vaše slova byla pozoruhodně účinná při změně způsobu, jakým je tento problém vnímán. “

Výměna dopisů v Chemické a technické novinky

Zobrazení domnělého technomimetický molekulární planetové zařízení soubor. Smalley se ptal, zda by zařízení jako tato mohla být konstruována pomocí enzym - jako mechanický proces, buď v vodný roztok nebo s nějakou jinou chemií a zda by taková zařízení vůbec byla funkční.

Debata byla zakončena funkcí „Point-Counterpoint“, která byla titulním příběhem z 1. prosince 2003 Chemické a technické novinky, novinový časopis Americká chemická společnost.^[13] Tato funkce nejprve reprodukovala Drexlerův otevřený dopis z dubna 2003 Smalleymu. Smalleyova odpověď začala omluvou za jakýkoli přestupek, který způsobil jeho článek ze září 2001, a uvedením, že Drexlerova kniha Motory stvoření vyvolalo vlastní zájem Smalleyho o nanotechnologii. Souhlasil s tím, že „Smalleyho prsty“ nemohou fungovat, a poté tvrdil, že stejné důvody, které by vylučovaly atomovou kontrolu reakcí, by také vylučovaly manipulaci s většími stavebními kameny, protože každá molekula by měla více atomů, které by bylo třeba ovládat

Poté souhlasil, že něco jako enzym nebo ribozom bude schopné přesné chemie, ale zeptal se, jak bude nanorobot schopen získat, kontrolovat a opravit takový enzym, a všiml si nekompatibility mnoha reakcí s biologickými systémy na bázi vody, konstatování, že „biologie je úžasná v obrovské rozmanitosti toho, co dokáže postavit, ale nedokáže vyrobit krystal z křemíku, oceli, mědi, hliníku nebo titanu nebo prakticky žádného z klíčových materiálů, na nichž moderní technologie je postaven." Smalley se zeptal, jaký druh „nevodné enzymové chemie“ by si Drexler představoval, aby jeho molekulární asembleri fungovali, a nazval to „obrovskou oblastí chemie, která se nám po staletí vyhýbala“.

Drexlerova reakce začala návratem k Feynmanově proslovu z roku 1959 a uvedla, že „i když je inspirována biologií ... Feynmanova vize nanotechnologie je v zásadě mechanická, nikoli biologická.“ Charakterizoval výzvy jako úkoly systémové inženýrství spíše než jen chemii a odkazoval se na Smalleyho Nanosystémy, s vizí mechanické kontroly chemických reakcí bez enzymů a bez závislosti na rozpouštědlech nebo tepelném pohybu. Uvedl:

Regulace polohy se přirozeně vyhýbá většině vedlejších reakcí tím, že brání nechtěným střetům mezi potenciálními reaktanty. Teorie přechodového stavu naznačuje, že pro vhodně zvolené reaktanty umožní polohové řízení syntetické kroky na megahertzových frekvencích se spolehlivostí digitálních přepínacích operací v počítači. Podpůrná analýza tohoto závěru se objevuje v „Nanosystémech“ a odolala desetiletí vědecké kontroly.

Drexler zopakoval, že tito molekulární asembleri by nevyžadovali žádné nemožné prsty a na výrobu by rozšířili chemii fáze řešení makroskopické produkty s přesným uspořádáním chemických stavebních bloků pomocí molekulárních asemblerů ve fázi řešení bootstrap konstrukce složitějších asemblerů. Na závěr napsal:

Americkému pokroku v molekulární výrobě brání nebezpečná iluze, že je to nemožné. Doufám, že budete souhlasit s tím, že skutečné fyzikální principy molekulární výroby jsou zdravé a na rozdíl od různých pojmů, často rozšířených v tisku, které jste správně odmítli. Zvu vás, abyste se ke mně a ostatním připojili k výzvě rozšířit dnešní výzkum nanoměřítků o úsilí v oblasti systémového inženýrství zaměřené na dosažení velké vize vyjádřené Richardem Feynmanem.

Smalley začal svůj závěrečný dopis:

Vidím, že jsi teď odešel z místnosti, kde jsem tě vedl k rozhovoru o skutečné chemii, a ty jsi teď zpět ve svém mechanickém světě. Je mi líto, že jsme skončili takto. Na chvíli jsem si myslel, že děláme pokrok. Zdá se, že stále nerozumíte dopadu mého krátkého dílu v časopise Scientific American. Stejně jako nemůžete přimět chlapce a dívku, aby se do sebe zamilovali jednoduše tím, že je spojíte dohromady, nemůžete zajistit, aby mezi dvěma molekulárními objekty vznikla přesná chemie podle jednoduchého mechanického pohybu podél několika stupňů volnosti v assembleru - pevný referenční rámec. Chemie, stejně jako láska, je jemnější než to.

Smalley uvedl své přesvědčení, že většina reakcí využívajících mechanosyntézu by jednoduše poskytla nesprávný produkt a že jen velmi málo reakcí a cílových molekul by bylo s takovým přístupem pravděpodobně slučitelných. Tvrdil, že každé robotické montážní rameno bude na svém konci potřebovat nástroj podobný enzymu, který by vyžadoval kapalné médium, a protože všechny známé enzymy používají jako médium vodu, musí být řada produktů omezena na „maso a kosti biologie“ . “ Obvinil Drexlera, že vytvořil „předstíraný svět, kde atomy jdou tam, kam chcete, protože váš počítačový program je tam vede.“

A konečně Smalley vyprávěl své nedávné zkušenosti s četbou esejů napsaných studenty středních a středních škol po terénní návštěvě s tím, že téměř polovina z nich si myslí, že jsou samoreplikující se nanoroboti možní, a že většina z nich se obává jejich šíření po celém světě. Smalley to nazval hluboce znepokojivým příběhem u postele, který se snažil potlačit. Smalley uzavřel svůj dopis:

Vy a lidé ve vašem okolí jste děsili naše děti. Neočekávám, že přestanete, ale doufám, že se ke mně přidají i ostatní v chemické komunitě, aby rozsvítili světlo a ukázali našim dětem, že zatímco naše budoucnost ve skutečném světě bude náročná a existují skutečná rizika nebude takové monstrum jako samoreplikující se mechanický nanobot vašich snů.

Kritická odpověď

Debata Drexler – Smalley přilákala komentáře od osob jako např Ray Kurzweil (vlevo) a Lawrence Lessig (že jo).

Tón

Debata byla široce kritizována za svůj kontradiktorní tón. David Berube dovnitř Nano-Hype: Pravda za nanotechnologií Buzz charakterizoval to jako „dva lidi, kteří spolu hovoří ... nepřispívají k rozumnému vyvrácení,“ a citoval blogera a novináře z oblasti nanotechnologií Howarda Lovyho, „že debata je zaměřena na osobní hrdost, pověst a místo v panteonu. "^[8] Zyvex zakladatel James von Ehr poznamenal, že „Eric [Drexler] neudělal žádné výhody tím, že se dostal do čůrání s nositelem Nobelovy ceny. “^[1] Článek v The New York Times nazval debatu „připomínající ten starý Sobotní noční život náčrt ... [s] Danem Aykroydem a Jane Curtinovou, kteří si navzájem urážejí a zdánlivě debatují o vážném politickém problému, “s odkazem na verzi dlouhodobého Víkendová aktualizace segment.^[2]

Technický komentář

Debata také získala technickou kritiku. Steven A. Edwards dovnitř Průkopníci Nanotech poznamenal, že nejednoznačnost specifikací a dokonce definice molekulárního assembleru ztěžuje vyhodnocení argumentu a minimalizuje jeho vědecké důsledky. Poznamenal, že „to nikde není Nanosystémy obsahují plán pro molekulární assembler ... Je nám například řečeno, že manipulační rameno by zahrnovalo 4 000 000 atomů, ale není nám řečeno, které atomy, ani jak by se daly dohromady. “Dochází k závěru, že„ debata o mechanosyntéza je zatím pro účastníky obrovská, ale hlavně zábavná akademická odbočka pro většinu nanotechnologů. “^[1]

Na druhou stranu, futurista Ray Kurzweil ve své knize Singularita je blízko prohlásil Drexlera za vítěze debaty,^[14] opakuje názor, že Smalley zkreslil Drexlerovy myšlenky, a Smalleyovy odpovědi nazval „krátkými konkrétními citacemi a současným výzkumem a dlouhými nepřesnými metaforami“ a tvrdil, že „Smalley ignoruje uplynulé desetiletí výzkumu alternativních způsobů umisťování molekulárních fragmentů pomocí přesně vedených molekulárních reakcí ... [které byly] rozsáhle studovány. “ Citoval experimentální výsledky funkce enzymů v nevodných roztocích a poukázal na to, že moderní nebiologické technologie, jako jsou letadla a počítače, překročily možnosti přírodních biologických systémů. Poznamenal také, že „dřívější kritici také vyjádřili skepsi, že celosvětové komunikační sítě nebo softwarové viry, které by se šířily napříč nimi, jsou proveditelné ... [ale dnes] získáváme z tohoto nejnovějšího příkladu propleteného slibu a nebezpečí mnohem větší zisk než újmu. "^[15]

Komentář k vnímání nanotechnologií veřejností

Diskuse se zaměřila také na vnímání nanotechnologií veřejností. Politický blogger Glenn Reynolds uvedl, že „podnikatelská komunita se obává, že se pokročilá nanotechnologie zdá příliš, no, strašidelná - a ještě horší je, že diskuse o potenciálně strašidelných důsledcích povedou k obavám veřejnosti, které by mohly překážet uvedení produktů na trh.“^[16] Lawrence Lessig kritizoval vědecké zařízení zastoupené Smalleyem za argument, že „pokud lze takzvané nebezpečné nanotechnologie odsunout na letní sci-fi filmy a zapomenout na Den práce, pak může pokračovat vážná práce, podporovaná miliardovým financováním a bez zábran idiotství, které pohřbívá například výzkum kmenových buněk. “^[16][17] Kurzweil napsal, že Smalleyův přístup k uklidnění veřejnosti by selhal, protože popíral výhody i rizika molekulární nanotechnologie.^[14]

Reference