He visto y leído muchas historias de ciencia ficción que incluían nanitos como un arma maravillosa que puede hacer casi cualquier cosa. Una de esas series es la serie Star Marine de Ian Douglas.
Esos libros citan con frecuencia a los desensambladores nano como capaces de masticar un metro o más de materiales exóticos en varios minutos.
Siempre pensé que este era un rendimiento demasiado optimista para la nanomaquinaria.
Estoy de acuerdo con las capacidades teóricas de estos dispositivos (manipular materiales a nivel molecular, transportar materiales de un lugar a otro, etc.). Sin embargo, la manipulación de materiales a esta escala no elude las leyes de la termodinámica o la geometría.
Desde la perspectiva de la termodinámica, requieren un medio para transportar instrucciones a las nanomáquinas, energía utilizable al sistema, transportar el calor residual fuera del sistema y transportar materiales hacia afuera (para el desmontaje) o hacia adentro (para el ensamblaje).
Una gran ventaja de la nanomaquinaria es su capacidad potencial para multiplicar capacidades. Sin embargo, la geometría los restringe a actuar sobre una superficie esférica en expansión o una superficie de área constante (por ejemplo, cavando un túnel).
Las nanomáquinas no se mueven con rapidez en relación con el mundo macroscópico. La primera carrera de nanomáquinas del mundo espera que las máquinas se muevan 0,3 nm (0,000000003 metros) por cada impulso de propulsión y completen el recorrido de 100 nm en 36 horas.
¿Cuáles son los números realistas para el rendimiento de las nanomáquinas?
Perdóname si esto continúa un poco. Traté de ser comprensivo y ser breve. Integral ganó al final.
Definiré una nanomáquina como una construcción mecánica artificial a la escala de un nanómetro (10 −9 m). Supongo que cualquier cosa medida por debajo de 100 nm podría considerarse "a la escala" de un nanómetro. Usaré un bloque de 10 nm 3 como tamaño general para una de estas nanomáquinas.
Este tamaño trae problemas de movilidad, precisión de movimiento, materiales de construcción disponibles y versatilidad, entre otras cuestiones. Espero cubrirlos un poco a fondo en la respuesta.
Además, hay una amplia variedad de usos potenciales para estas máquinas, por lo que, en aras de la simplicidad, supondré que estás disolviendo a los malos y sus cosas con estos pequeños bots destructores o construyendo algo increíble con ellos.
A menudo, los nanobots se introducen en un sistema ya existente (generalmente acuoso) y tienen un propósito específico dentro de ese sistema. Creo que compararlos con catalizadores o células es una muy buena manera de verlo. Dicho esto, casi nada de este tamaño se mueve por sí solo en la naturaleza. Los únicos elementos autopropulsados en este nivel que vienen fácilmente a la mente son los virus y las bacterias.
La velocidad más rápida que puedo encontrar para el movimiento bacteriano es de 200 micras/segundo (una micra son 10 −6 m). Para algo de 10 nm de tamaño, es una velocidad increíble, aunque no una gran distancia total. Si sus máquinas se movieran por sí solas, pienso arbitrariamente que duplicar esto aún podría considerarse creíble. Presento una velocidad máxima de autopropulsión de ~400 micrones/segundo .
Sin embargo, los propios sistemas pueden moverse mucho más rápido. Por ejemplo, la tasa de flujo de sangre más alta en el cuerpo humano alcanza ~180 cm/s. Si tuviera que transportar nanomáquinas de forma similar (expulsando una solución acuosa a través de válvulas presurizadas), no tendría que molestarse en ayudar a su movimiento. Esto conduce a la velocidad máxima que podría moverse una solución acuosa delgada (como un alcohol). Sin embargo, es necesario que ocurra una reacción entre la nanomáquina y lo que sea que esté comiendo. Volvería a aplicar mi doble regla arbitraria a la velocidad del flujo sanguíneo, ya que ocurren innumerables reacciones mientras la sangre se mueve. Velocidad de propulsión del sistema de ~400 cm por segundo . Eso te da magnitudes mayores en la velocidad de las nanomáquinas.
Realmente, dependiendo de la actividad que estén sirviendo las máquinas esto puede variar mucho. En esencia, si los impulsa, están limitados en la velocidad de la acción que realizan. Dado que algunas reacciones químicas son básicamente instantáneas (fotodescomposición), mientras que otras reacciones físicas pueden tardar milenios (formación de diamantes), su variedad es enorme . Sin embargo, abordaré esto más adelante.
Esto también es bastante variable. Hay tantas superficies que pueden masticar, desde membranas carnosas débiles que incluso los productos químicos suaves destruyen instantáneamente, hasta una losa de tungsteno que posiblemente podría sobrevivir golpeando la superficie del sol (por un instante). Mantendré cualquier cálculo vago para acomodar esto.
Me conformaré con el magnesio metálico ya que es algo similar al aluminio (uno de los metales más utilizados en la fabricación moderna) y encontré datos sin necesidad de mucha investigación. Si hace reaccionar magnesio (también aluminio) con ácido clorhídrico (HCl), se disuelve rápidamente. Encontré estos datos de un experimento que mide la velocidad de disolución del magnesio en HCl. Las muestras en polvo se disolvieron en 30 segundos cuando se sumergieron en HCl 3 molar. Es posible obtener un ácido molar más alto, con un máximo de alrededor de 12M. Parece que incluso con el ácido más fuerte, la velocidad máxima de disolución oscila alrededor de los 15 segundos. Estas muestras podrían ser equivalentes a quizás 1 cm ^ 3 de metal sólido. Debido a que el metal sólido tiene menos área de superficie, usaré mi duplicador mágico y daré un valor de 1 cm de superficie de metal disuelto cada 30 segundos. Suponiendo que solo usaríamos nanomáquinas si fueran más eficientes que este ácido, duplicaré la eficacia, dejando 1 cm de metal disuelto cada 15 segundos .
Aquí es donde creo que las nanomáquinas están un poco exageradas. Hay un par de problemas con los que nos encontramos.
Con estas preguntas en mente, estoy dando una respuesta perezosa: no use nanomáquinas para fabricar
En este momento tenemos mucho disponible que es rápido, preciso y simple. Los robots ya bombean piezas, dispositivos y máquinas a un ritmo increíble. Estas partes a menudo se encuentran en una escala macro y, cuando no lo están, el proceso sigue siendo increíblemente eficiente. Quiero decir, tenemos impresoras 3D que usan láser y gel para crear cualquier cosa que puedas dibujar con una precisión de micras. Es rápido y barato y fácil. No imagino que agregar nanomáquinas a la mezcla mejoraría significativamente cualquier aspecto de la fabricación. La energía utilizada para mover materiales con nanomáquinas y darles instrucciones parece ser muy beneficiosa.
Su uso en la creación de drogas y productos químicos ya es bastante sorprendente. Pueden limpiar materiales o productos, tratar materiales para usos específicos y hacer muchas otras cosas, pero en lo que respecta a la construcción de máquinas más grandes, no parece demasiado útil (enumere cualquier buen uso que se le ocurra en un comentario ).
Tal vez una mejor idea sería como los nanobots que se encuentran en Big Hero 6 . En lugar de construir una macromáquina, quizás estas nanomáquinas podrían combinar sus esfuerzos y funcionar colectivamente como una macromáquina.
En total mi respuesta viene a esto:
Todo esto es muy general y, dependiendo de los detalles, podría variar un poco. Espero que eso ayude.
Creo que la clave es abarcar escalas. Un organismo multicelular como una ballena no es una simple colección de células como una biopelícula o incluso una esponja. Tiene un sistema de circulación en el que los materiales se bombean a velocidades muchos órdenes de magnitud más rápidas que los números de los que te lamentas, y las vesículas y la bomba están hechas de esas mismas celdas. Hay sistemas a gran escala hechos de órganos, que están hechos de tejidos, que están hechos de células eucariotas. Continuando hacia abajo, esas células complejas están hechas de orgánulos y sistemas internos de distribución de recursos, hechos de nanotejidos (para dar con un término) que son masas de nanomáquinas individuales.
Por lo tanto, no aplica una masa de nanobots primitivos a escala de procariotas en una tarea a escala de un metro. Los organiza en una serie de sistemas sucesivos a escalas cada vez mayores. Cada sistema opera a una escala similar a su propio tamaño y está hecho de sistemas en la siguiente escala inferior.
Mire la tarea de hacer un túnel de un metro de diámetro de cierta longitud a través de la roca. Considere la diferencia entre un taladro y una sierra de corona . No es necesario desgarrar todo el grueso de la roca a nivel molecular. Lo divides en pequeños trozos y luego mueves esos trozos. Esto podría hacerse como el crecimiento de un hongo, con la cara de trabajo atacando la roca con "enzimas" u otras herramientas a escala nanométrica para separar los átomos. La energía, las materias primas y el enfriamiento se transportan mediante un sistema de circulación: sangre o savia en tuberías que se mueven a alta velocidad, no a la misma velocidad que el nanotransporte dentro de un nanobot.
La limpieza de los escombros se puede hacer de la misma manera que lo hace una rata topo, construyendo sistemas mecánicos a la escala adecuada para levantarlos y empujarlos. Entonces construyes tejidos y luego músculos (o lo que sea, hidrólicos, cinturones y engranajes).
Para construir, creo que sería bueno si usas esta estrategia: a los nanites se les asigna una pequeña tarea, la ejecutan y construyen un bloque de la estructura que deseas, estos bloques se colocan juntos, en los más grandes y los más grandes en otros más grandes, el proceso se repetirá.
Comunicación y almacenamiento de datos: opta por elementos naturales (ADN, hormonas, nervios, etc.), elige la criatura más dura como base para los nanites, nuestros señores tardígrados , los que ganaron la evolución.
Y ten en cuenta:
La fuerza de Nanite radica en su capacidad para dividir el gran trabajo en sus tareas personales más pequeñas. No solo haces crecer la esfera con una velocidad constante, la cortas en dos y luego las reúnes, una vez que crecieron lo suficiente.
¡Cita esto! - Redactado Redactado
Y por la razón antes mencionada, realmente no puedo responder a su pregunta, ya que hay muchas maneras en las que los tiempos de construcción pueden reducirse gradualmente, pero les daré un enlace, sobre una antigua nano-fábrica, que es capaz de reproducirse, tiene algunos paneles solares de menor eficiencia y ya se ha apoderado del planeta. aquí está
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