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La nanotechnologie moléculaire implique la capacité de construire des structures autorisées par des lois physiques, avec une précision moléculaire. Je m’intéresse principalement à l’assemblage de positions, qui est un processus déterministe dans lequel les composants utilisés dans une construction sont maintenus dans des positions connues et sont contraints de suivre les voies physiques intermédiaires souhaitées pendant toute la séquence de construction. L’assemblage programmable des positions à l’échelle moléculaire est le mécanisme central permettant d’obtenir une grande flexibilité et un résultat optimal en termes de fabrication et de précision. Une proposition préliminaire pour la prochaine étape logique de R & D est ici, une bibliographie technique pour la recherche sur la mécanosynthèse diamantoïde positionnelle est disponible ici, et le tout premier brevet déposé sur la mécanosynthèse diamantifère positionnelle est disponible ici. L’autre élément clé de la fabrication moléculaire consiste en la possibilité de fabriquer d’énormes quantités de structures de précision moléculaire, ou d’assembler des objets plus volumineux à partir d’un grand nombre d’objets plus petits et de précision moléculaire, c’est-à-dire un assemblage massivement parallèle. Le résultat final de ce processus de développement sera un assembleur moléculaire de base qui utilise une nanotechnologie en phase machine (par exemple, engrenages nanométriques, entretoises, ressorts, moteurs, carters) pour fabriquer des structures de diamantoïde à la précision moléculaire, en suivant un ensemble d’instructions conception.

Avec Ralph Merkle, j’ai entrepris des analyses théoriques de systèmes d’assembleurs moléculaires possibles. Je suis co-auteur d’au moins deux ouvrages techniques décrivant les résultats de cette recherche. Le premier livre, Kinematic Self-Replicating Machines, a été publié en octobre 2004 et était disponible à un rabais substantiel sur la pré-publication directement auprès de Landes Bioscience. Le deuxième volume, Diamond Surfaces and Diamond Mechanosynthesis, est en cours et devrait être publié en 2007-2008. Le troisième volume, Principes fondamentaux de l’ingénierie nanomécanique, qui devait être co-écrit avec J. Storrs Hall, est toujours en cours et pourrait être publié en 2009-2010.

Nos collaborations internationales en matière de recherche, qui mènent finalement au développement d’une nanofabrique opérationnelle, sont décrites sur le site Web Nanofactory Collaboration.

Machines à réplication automatique cinématiques (Landes Bioscience, 2004). Ce livre propose une revue générale de la volumineuse littérature théorique et expérimentale relative aux systèmes physiques à réplication automatique et à la réplication automatique. L’accent principal est mis ici sur les systèmes de machine à réplication automatique. Plus important encore, nous nous intéressons aux machines cinématiques à auto-réplication: systèmes dans lesquels des objets physiques réels, et non de simples modèles d’informations, procèdent à leur propre réplication. Après une brève activité dans les années 50 et 80, le domaine de la conception de systèmes de réplication cinématique a suscité un nouvel intérêt dans les années 90 avec la reconnaissance croissante de la faisabilité de la nanotechnologie moléculaire. Le domaine a connu une renaissance des activités de recherche depuis 1999, les chercheurs étant désormais conscients que les systèmes de réplication sont suffisamment simples pour permettre des démonstrations expérimentales en laboratoire de dispositifs en fonctionnement.

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Surfaces de diamant et mécanosynthèse de diamant (2008-09, en préparation). Une analyse complète de la manière d’utiliser l’assemblage de position programmable pour synthétiser la plupart des arrangements d’atomes autorisés par la loi physique serait, à l’heure actuelle, d’une complexité prohibitive. Un projet plus gérable consiste à analyser une classe importante d’hydrocarbures rigides – en particulier le diamant – qui pourrait éventuellement être synthétisée par l’utilisation d’un petit ensemble de pointes d’outil mécano-synthétiques à contrôle de position. Les propriétés exceptionnelles du diamant, telles que sa dureté extrême, sa haute résistance et sa rigidité, sa conductivité thermique élevée, son faible coefficient de frottement, son inertie chimique et son large intervalle de bande, suscitent déjà un grand intérêt. Les caractéristiques de la surface moléculaire du diamant ont été étudiées de manière approfondie, à la fois théoriquement et expérimentalement, dans les années 1990, et de nombreuses questions pratiques concernant la structure moléculaire des surfaces de diamant ont maintenant été résolues. Les domaines de la chimie du diamant par CVD et de l’adamantane fournissent une compréhension supplémentaire, à la fois expérimentale et théorique, des innombrables mécanismes réactionnels pouvant contribuer à la croissance du diamant.

Une bibliographie technique pour la recherche sur la mécanosynthèse positionnelle est disponible ici. Le premier brevet jamais déposé sur la mécanosynthèse positionnée du diamant est disponible ici. Voir également le site Web Nanofactory Collaboration pour le contexte plus large de cette recherche.

Principes de base de l’ingénierie nanomécanique (2009-10, en préparation). Ce manuel de cours, destiné aux étudiants de 2e et 3e années des programmes d’ingénierie avancée, fournira une base solide pour la conception pratique de machines à échelle moléculaire composées de solides covalents rigides, avec un fort accent sur les matériaux diamantés et diamantoïdes. Après une introduction aux aspects uniques des machines à l’échelle nanométrique et une revue des outils informatiques actuellement disponibles pour assister de telles conceptions, les caractéristiques mécaniques des matériaux clés et les principes fondamentaux de la charge, des contraintes, de la rigidité et des défaillances mécaniques dans les machines à l’échelle nanométrique seront explorés détail. Suit des discussions et des exemples de composants nanomécaniques et de machines composées spécifiques, notamment des roulements, des fixations, des engrenages, des liaisons, des mécanismes d’entraînement, des moteurs et des pompes, des contrôleurs d’énergie mécanique, des capteurs et des matériaux programmables.

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