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GlosarioEste glosario está destinado a ofrecer ayuda para cruzar las fronteras disciplinarias, especialmente para aquellos que comienzan a explorar el campo de la terminología rica de la química. Las entradas no son ni exhaustiva en su alcance ni de definición de la calidad. Una pequeña fracción de las entradas a definir términos introducidos en el presente trabajo. Las referencias cruzadas se marcan como enlaces (por ejemplo, la reacción de abstracción); una búsqueda alfabética de vez en cuando dar una forma diferente de la palabra indicada. Algunas palabras en el texto principal se marcan de la misma manera.

Reacción de abstracción Una reacción que elimina un átomo de una estructura. Ácido En la definición de Brønsted, un ácido es una especie

química que puede donar un protón a otra especie (una de base ). En la definición de Lewis, un ácido es una especie química que pueden aceptar (y compartir) un par de electrones de otra especie. El ácido clorhídrico es un ácido de Bronsted; el protón que dona es un ácido de Lewis. Un ácido de Lewis neutro y una base de Lewis neutra comúnmente pueden formarun enlace dipolar .

Energía de activación Distintos estados corresponden a los mínimos de

una energía potencialde superficie en un espacio de configuración . En esta imagen clásica, la energía de activación para la transformación de estado A al estado B es el máximo aumento de la energía (en relación con el estado base de A) encontrado en un camino de mínima energía de A a B. Energía aquí se refiere a la energía potencial; un definición análoga basada en la energía libre se puede construir. Cuando se considera túneles, caminos de energía más bajos se hacen posibles, pero una energía de activación pueden estar asociadas con la reacción (a una determinadatemperatura ) a través de la relación entrela temperatura y la velocidad de reacción.

Acíclico No cíclica . Constante de afinidad El recíproco de la constante de disociación ; una

medida de la energía de enlace de un ligando en un receptor de .

AFM Un microscopio de fuerza atómica .

Alcanos Un saturado , acíclico estructura de hidrocarburo, por lo general bastante inerte.

Alqueno Un hidrocarburo que contiene un doble enlace , a

menudo en lugar reactiva. Alquino Un hidrocarburo que contiene un triple enlace , a

menudo en lugar reactiva. Amida Una molécula que contiene una amina unida a un

grupo carboxilo; la unión resultante tiene carácter sustancial de doble enlace. También denominado un péptido ; amida bonos enlazan aminoácidos en las proteínas.

Amina Una molécula que contiene N con un enlace sencillo a

C y otros dos enlaces simples a H o C (pero no una amida ), el grupo amina o resto.

Aminoácido Una molécula que contiene una amina y un ácido

carboxílico grupo, y en los 20 aminoácidos codificados genéticamente en la biología, ambos grupos están obligados a los mismos ácidos C. aminoácidos unidos poramida bonos forman péptidos y proteínas , los cuales no contienen aminoácidos como tales , y en cambio se dice que contiene residuos de aminoácidos .

Anión Una carga negativa de iones . Aromático Un término usado para describir cíclicos pi-

consolidado estructuras de estabilidad especial. Ensamblador En los últimos años el uso popular,

cualquier nanomachine , por lo general supone que ofrecer capacidades mágicas y universales en un paquete del tamaño de un átomo. En el uso del autor, cualquier sistema nanomecánicos programable capaz de realizar una amplia gama de operaciones mechanosynthetic. Ver manipulador molecular , molino molecular .

Microscopio de fuerza atómica Un dispositivo en el que la deflexión de una aguja

afilada montada sobre un resorte suave se controla como el lápiz se mueve a través de una superficie. Si la desviación se mantiene constante mediante mover la superficie de arriba y hacia abajo en incrementos medidos, el resultado (en condiciones favorables) es un mapa topográfico de resolución atómica de la superficie. También calificó de un microscopio de fuerza atómica.

B

Altura de la barrera

Aproximadamente sinónimo de energía de activación.

Base En el Bra ¯ definición nsted, una base es una especie química que

puede aceptar un protón de otra especie. En la definición de Lewis, unabase es una especie química que puede donar (y compartir) un par de electrones con otra especie. Ver el ácido .

Bearing Un mecánico dispositivo que permite el movimiento de un componente

(a ser posible, con una resistencia mínima) en uno o más grados de libertad de movimiento mientras se resiste (a ser posible, con una fuerza de recuperación dura) en los demás grados de libertad.

Energía de unión

La reducción en la energía libre de un sistema que se produce cuando un ligando se une a un receptor de . Generalmente se usa para describirla energía total requerida para retirar algo, o tomar un sistema de separación, en sus partículas constituyentes - por ejemplo, para separardos átomos entre sí, o para separar un átomo en electrones y núcleos.

Encuadernaciónsitio

La región activa de un receptor de ; cualquier sitio en el que un producto químico especies de interés tiende a unirse.

Encuadernación El proceso por el cual una molécula (o ligando ) se une, es decir, limita

en la posición (y, a menudo orientación) con respecto a unreceptor de . El confinamiento se produce debido a las características estructurales del receptor de crear un pozo de potencial para el ligando; de van der Waals y las interacciones electrostáticas contribuyen comúnmente.

Enlace Dos átomos se dice que están en condiciones de servidumbre cuando la

energía requerida para separar de ellos es sustancialmente mayor que el de van der Waals energía de atracción. Los enlaces iónicos resultan de la atracción electrostática entre los iones; covalentesbonos y metálicos resultan de la compartición de electrones entre los átomos; enlaces de hidrógeno son más débiles y son el resultado de interacciones dipolo y el intercambio de electrones limitado. Cuando seutiliza sin modificaciones, "unión'' por lo general se refiere a un enlace covalente.

Asamblea browniano

El movimiento browniano en un fluido trae moléculas juntas en diversas posiciones y orientaciones. Si las moléculas tienen superficies complementarias adecuadas, que se pueden unir, ensamblar para formar una estructura específica. Asamblea browniano es un nombre menos paradójico que el autoensamblaje (¿cómo puede una estructura de montaje en sí, o hacer cualquier cosa, cuando todavía no existe?).

El movimiento browniano

Movimiento de una partícula en un fluido debido a la agitación térmica, observó en 1827 por Robert Brown. (Originalmente se pensó que es causada por una fuerza vital, el movimiento browniano, de hecho, juega un papel vital en la asamblea y la actividad de las

estructuras moleculares de la vida.)

C

CAD Diseño asistido por ordenador. Leva Un componente que traduce o gira para mover una superficie

contorneada allá de un seguidor , el contorno imponen una secuencia de movimientos (potencialmente complejo) en el seguidor.

Carbanión A altamente reactivos aniónicos especies químicas con un número par de

electrones y un par no compartido de electrones en un átomo de carbono tetravalente.

Carbeno Una especie química altamente reactivos que contienen una, átomo de

carbono divalente eléctricamente neutro con dos enlazanteselectrones de valencia ; un prototipo es CH 2 .

Carbonium ion

A altamente reactivos catiónicos especies químicas con un número par de electrones y un desocupada orbital en un átomo de carbono.

Carbonilo Un resto químico que consiste en O con un doble enlace al C. Si la C está

unido a N, la estructura resultante se denomina una amida ; si está unido a O, que se denomina un ácido carboxílico o un éster de ligamiento.

El ácido carboxílico

Una molécula que incluye una C que tiene un doble enlace a O y unenlace sencillo a OH.

Catalizador A químicas especie u otra estructura que facilite una sustancia

química reacción sin sufrir en sí un cambio permanente.Catión Una carga positiva iones . La mecánica clásica

La mecánica clásica describe un mecánico sistema como un conjunto de partículas (que en un caso límite puede formar medios de comunicación continua) que tiene una geometría bien definida en un momento dado, y se someten a los movimientos determinados por las fuerzas aplicadas y por las posiciones y velocidades iniciales de las partículas . Las fuerzas mismos pueden tener electromagnéticos o mecánicos cuánticos orígenes. Classicalmecánica estadística utiliza el mismo modelo físico, pero trata a la geometría y las velocidades como, cantidades estadísticos inciertos sujeto a las fluctuaciones inducidas térmicamente aleatorios. La mecánica clásica y la mecánica estadística clásica dan buenacuenta de muchas de las propiedades mecánicas y el comportamiento de las moléculas, pero para describir los electrónicos propiedades y el comportamiento de las moléculas, que a menudo son inútiles.

CMOS Es el acrónimo de metal-oxide-semiconductor complementario , como en

CMOS transistor y la lógica CMOS. Columna En la descripción de los accidentes geográficos, un paso entre dos valles a

veces se llama una col. En la descripción molecular de energía

potencial funciones, este término se usa comúnmente para describir características análogas del PES, una col es la región en torno a un punto de silla que tiene curvatura negativa a lo largo de un eje y curvatura positiva a lo largo de todos los ejes ortogonales.

Conformidad El recíproco de la rigidez , en un sistema elástico lineal, el desplazamiento

es igual a la fuerza de su cumplimiento. Espacio de configuración

Un espacio matemático que describe la configuración tridimensional de un sistema de partículas (por ejemplo, los átomos de una nanomecánico estructura) como un único punto, el espacio de configuración de una N sistema de partículas tiene 3 Ndimensiones.

ConformaciónUna geometría molecular que difiere de otras geometrías principalmente

por rotación alrededor de enlaces sencillos o triples; conformaciones distintos (denominados formadores de concentraciones) se asocian con distintos pozos de potencial .Biomoléculas típicas y productos de síntesis orgánica pueden interconvertir entre muchas conformaciones; típicos diamantinaestructuras están encerrados en un solo pozo de potencial, y por lo tanto carecen de la flexibilidad conformacional.

Conjugados Un conjugado pi sistema es una en la que los enlaces pi alternan con

enlaces simples. La distribución de electrones resultante da los enlaces simples intermedios de carácter parcial de doble enlace, los electrones pi deslocalizados convertirse, y la energía del sistema se reduce.

Conservador En el diseño y el análisis, un modelo conservador o una suposición

conservadora es uno que se aparta de la precisión de tal manera que reduce las posibilidades de una evaluación de falsos positivos de la viabilidad del sistema en cuestión. Supuestos conservadores sobreestiman problemas y subestiman las capacidades.

Enlace covalente

Un enlace formado por compartir un par de electrones entre dos átomos.

Radio covalente

Dado un conjunto de N elementos que pueden formar enlaces covalentes individuales en las moléculas, con N ( N - 1) pares posibles elementales, seha demostrado que es posible definir un radio covalente para cada elemento de manera que la longitud de enlace real entre dos elementos que forman un enlace sencillo covalente es aproximadamente igual a la suma de sus radios covalentes.

CPU La unidad central de procesamiento de un ordenador, responsable de la

ejecución de instrucciones para procesar la información. Cíclico Una estructura se denomina cíclico si sus covalentes bonos forman uno o

más anillos. La cicloadición

Una reacción en la que dos moléculas insaturadas (o restos dentro de una molécula) se unen, formando un anillo.

D

Enlace dativoUn enlace dipolar . Diamondoid Como se usa en este volumen, este término describe las estructuras que se

asemejan a diamante en un sentido amplio: fuerte, estructuras rígidas que contienen redes densas, en tres dimensiones de enlaces covalentes , formados principalmente de primero y segundo átomos de fila con unavalencia de tres o más. Muchas de las estructuras diamantina más útiles serán, de hecho, ser rico en carbono tetraédricamente coordinada.diamantina se utiliza más estrechamente en la literatura en otros lugares.

Bonos dipolar

Un enlace covalente en el que un átomo suministra tanto electrones de enlace, y el otro átomo suministra un orbital vacío en el que compartirlos. También llamado un enlace dativo.

Constante dedisociación

Para sistemas en los que los ligandos se unen de una especie particular a un receptor de en un disolvente habrá una frecuencia característica con la que los complejos ligando-receptor existentes se disocian como resultado de la excitación térmica, y una frecuencia característica con la que se unen los ligandos receptores vacíos como resultado de encuentros browniano, formando nuevos complejos. La frecuencia de unión es proporcional a la concentración del ligando en solución. La constante de disociación es la magnitud de la concentración de ligando a la que la probabilidad de que el receptor se encuentra ocupada es 1/2.

El doble enlace

Dos átomos que comparten electrones como en un enlace sencillo (es decir,un enlace sigma ) también pueden compartir electrones en un orbital con un nodo pasa a través de los dos átomos. Esto añade una segunda interacción, más débil unión (un enlace pi ); la combinación se denomina un doble enlace. Un movimiento de torsión que obliga al plano nodal en unátomo de convertirse en perpendicular al plano nodal en el otro átomo elimina la (firmado) de solapamiento entre los orbitales atómicos, destruyendo el enlace pi. La energía necesaria para hacer esto crea una gran barrera a la rotación alrededor del enlace (ver enlace triple ).

Doblete El estado electrónico de una molécula que tiene un espín desapareado se

denomina un doblete (ver radical ). Este término se deriva de la espectroscopia: un giro no apareado puede ser ya sea hacia arriba o hacia abajo con respecto a un campo magnético, y estos estados tienen diferentesde energía, lo que resulta en pares dependientes del campo, o dobletes, de líneas espectrales. (Ver triplete , singlete .)

E

Masa efectiva En un sistema de vibración, un modo de vibración particular puede

ser descrito como un oscilador armónico con un poco de la masa y larigidez. Dada alguna medida de la amplitud de vibración, existe una opción única de la masa y la rigidez que produce los valores correctos para la frecuencia y la energía, que son la masa efectiva y

la rigidez efectiva. Rigidez efectiva Ver masa efectiva . Elástico Un objeto se comporta elásticamente si vuelve a su forma original

después de que se aplica una fuerza y luego se retira. (Si una fuerza aplicada causa una deformación permanente, el comportamiento se denomina plástico .) En un sistema elástico, la energía potencial interna es una función de la forma por sí sola, independiente de las fuerzas y deformaciones últimos.

La densidad de electrones

La ubicación de un electrón no es fijo, sino que se describe por una función de densidad de probabilidad. La suma de las densidades de probabilidad de todos los electrones en una región es la densidad de electrones en esa región.

Electronegatividad Una medida de la tendencia de un átomo (o resto) para retirar

electrones de estructuras a los que está unido. En la mayoría de circunstancias, por ejemplo, de sodio tiende a donar densidad electrónica (que tiene una electronegatividad bajo) y flúor tiende a retirar la densidad de electrones (que tiene una alta electronegatividad).

Electrónico Perteneciente a las energías, distribuciones, y el comportamiento de

los electrones; ver mecánico . Endoergic Una transformación se denomina endoergic si absorbe energía; una

tal reacción aumenta molecular energía potencial . (A veces, erróneamente equiparada con el término específicoendotérmica .)

Endotérmico Una transformación se denomina endotérmica si absorbe energía en

forma de calor. Un típico endotérmico de reacciónaumenta tanto la entropía y molecular energía potencial (y es por lo tanto análogo a un gas en expansión, mientras que la absorción de calor y la compresión de un resorte).

Energía Una cantidad conservada que se pueden interconvertir entre

muchas formas, incluyendo la energía cinética , la energía potencial y la energía electromagnética. A veces se define como "la capacidad de hacer el trabajo '', pero en un entorno distinto de cero a un uniforme de la temperatura , la energía térmica no proporcionaesta capacidad. (Tenga en cuenta, sin embargo, que toda la energía tiene masa, y por lo tanto se puede utilizar para hacer el trabajo por virtud de su energía potencial gravitatoria; esta salvedad, sin embargo, no tiene ninguna importancia práctica a menos que una realidad . gravedad profundo pozo está disponible) Ver la energía libre .

Entalpía La entalpía de un sistema es su real de energía (denominada

laenergía interna ) más el producto de su volumen y la presión externa. Aunque a veces se denomina "contenido de calor,'' la entalpía de hecho incluye la energía no contenida en el sistema. entalpía resulta conveniente para la descripción de procesos en

gases y líquidos en ambientes de laboratorio, si no se quiere dar cuenta de manera explícita para la energía almacenada en la atmósfera por trabajo hecho cuando un sistema se expande Es de poca utilidad, sin embargo, en la descripción de los procesos en. nanomecánicos sistemas, donde el trabajo puede tomar muchas formas: la energía interna es entonces más conveniente entalpía es lo que la energía. energía libre de Gibbs es elHelmholtz libre energía .

Entropy Una medida de la incertidumbre sobre el estado de un sistema: por

ejemplo, una molécula de gas en un lugar desconocido en un volumen grande tiene una mayor entropía de un conocido que se limita a un volumen más pequeño. energía libre se puede extraer en la conversión de una baja estado de entropía a un estado de alta entropía: la presión (a la media hora) ejercida por una molécula de gas puede hacer un trabajo útil como un pequeño volumen se expande a un volumen mayor. En la clásicaespacio de configuración de imagen, cualquier sistema molecular puede ser visto como un gas de una sola partícula en un espacio de alta dimensión. En la imagen de la mecánica cuántica, la entropía se describe como una función de las probabilidades de ocupación de los diferentes miembros de un conjunto de estados cuánticos alternativas. Aumento de la información sobre el estado de un sistema reduce su entropía y por lo tanto aumenta su energía libre, como se muestra por la capacidad resultante para extraer más trabajo de ella. Una contradicción ilustrativo en la vista de libro de texto sencillo de la entropía como una propiedad local de un material de (definir una entropía por mol, y así sucesivamente) se pueden mostrar de la siguiente manera: La tercera ley de la termodinámica establece que un cristal perfecto en el cero absoluto tiene entropía cero * , lo que es cierto independientemente de su tamaño. Una pieza de material desordenada, tal como un vidrio, tiene algunos entropía finita T0 > 0en el cero absoluto. En la vista local-propiedad, N piezas de vidrio, incluso (o especialmente) si todos son atómicamente idénticos, deben tener una entropía de N T 0 . Si estos N piezas de vidrio están dispuestas en una red tridimensional regular, sin embargo, la estructura resultante constituye un cristal perfecto (con una célula de unidad grande); en el cero absoluto, la tercera ley establece que este cristal tiene entropía cero, no N T 0 . Para entender la perspectiva de información en la entropía, que es un ejercicio útil considerar (1) lo que la entropía real de tales cristal es como una función de N , con y sin la información que describe la estructura de la celda unitaria, (2) cómo la tercera la ley se puede expresar con mayor precisión, y (3) lo que esta declaración más precisa implica para la entropía de las estructuras aperiódicas bien definidos. Tenga en cuenta que cualquier una celda unidad en el cristal puede ser considerado como una descripción de todo el resto.

Enzima Una proteína molécula que actúa como un específico catalizador, la unión a otras moléculas de una manera que facilita un producto químico en particular de reacción .

Equilibrio Un sistema se dice que es en el equilibrio (con respecto a un

conjunto de transformaciones posibles) si tiene un mínimo deenergía libre . Un sistema que contiene los objetos a diferentestemperaturas está en desequilibrio, porque el flujo de calor puede reducir la energía libre. Muelles tienen longitudes de equilibrio, los reactivos y los productos en solución de tener concentraciones de equilibrio, sistemas excitados térmicamente tienen probabilidades de equilibrio de ocupar varios estados, y así sucesivamente.

Ester Una molécula que contiene un enlace éster, un carbonilo unido a un

grupo O que es a su vez unido a un C Éter Una molécula que contiene un doble enlace a otro COH O, haciendo

de esta parte de un enlace éster, o alguna otra excepción tiene). Eutactic Caracterizado por el orden molecular preciso, como la de un cristal

perfecto, el interior de una proteína de la molécula, o un sistema de máquina-fase; contrastan con el trastorno de materiales a granel, entornos de soluciones, o estructuras biológicas en una escala celular. Los casos límite pueden ser identificados, pero la perfección no es necesario. Como un cristal con defectos dispersas se describe mejor como un cristal (no como amorfo), por lo que una estructura eutactic con defectos dispersas se describe mejor como (imperfectamente) eutactic, más que como desordenado.

Volumen excluido La presencia de una molécula (o resto) reduce el volumen disponible

para otras moléculas (o restos); reducciones resultantes en su entropía se denominan efectos volumen excluido .

Exoergic Lo contrario de endoergic ; describe una transformación que libera

energía. Exotérmico Lo contrario de endotérmica ; describe un exoergictransformación

en la que la energía se libera en forma de calor .Exoergic reacciones en solución son comúnmente exotérmica.

______________________ * Algunos textos afirman una forma ligeramente más débil: una reacción que convierte cristales perfectos en el cero absoluto en otros cristales perfectos en el cero absoluto no conlleva ningún cambio en la entropía. Esta es esencialmente equivalente.

F

A prueba de dejar de

Describe un componente o subsistema que, en el caso de un fallo, no produce ninguna salida (por ejemplo, de material o de datos) en lugar de

producir una salida dañada o incorrecta. Con tolerancia a fallos

Describe un sistema que pueda sufrir el fracaso en un componente o subsistema, pero seguirán funcionando correctamente.

Seguidor Un componente en una leva de sistema que es impulsado a través de un

patrón de desplazamientos, ya que se apoya contra una superficie contorneada en movimiento.

Energía libre

La energía libre es una medida de la capacidad de un sistema para hacer el trabajo, de manera que una reducción en la energía libre podría producir, en principio, una cantidad equivalente de trabajo. La energía libre de Helmholtz describe la energía libre dentro de un sistema, la energía libre de Gibbs no lo hace.

Gratis radica l

Un radical .

Puerta En la lógica digital, un componente que puede cambiar el estado de una

salida depende de los estados de una o más entradas. Energía libre de Gibbs

El Gibbs energía libre es la energía libre de Helmholtz más el producto del volumen del sistema y la presión externa. Los cambios en la energía libre de Gibbs a una presión constante por lo que comprenden el trabajo realizado contra la presión externa como un sistema sufre cambios volumétricos. Esto demuestra conveniente para la descripción de los equilibrios en gases y líquidos a una presión constante (por ejemplo, a una atmósfera), pero es de poco uso en la descripción de los procesos químicos de la máquina de fase. Los cambios en la energía libre de Gibbs causadas por un cambio en la presión aplicada (a volumen constante) no tienen ningún significado físico directo. (Véase también la entalpía .)

Estado fundamental

El estado de menor energía de un sistema. El estado electrónico fundamental de un sistema no puede reducir su energía por una transiciónelectrónica, pero puede contener energía vibracional (cinética y energía potencial asociada con los movimientos y las posiciones de los átomos); sistemas prolongados a temperaturas ordinarias son siempre vibracionalmente excitada, y así " estado fundamental "se toma a menudo para significar el" estado fundamental electrónico ".

Grupo Un conjunto de átomos unidos en una molécula, una subestructura

definida. Típicamente, un conjunto que se considera útil como una unidad en químicos reacciones de interés.

Velocidad de grupo

En propagación de la onda, la velocidad de la forma de onda (por ejemplo, de un pico) puede ser diferente de la velocidad de un grupo de ondas (por ejemplo, de un conjunto de ondas en el agua). Esta última es la velocidad de grupo , y es la velocidad de propagación de la información y energía de

las olas. La velocidad de la forma de onda es lavelocidad de fase .

H

Oscilador armónico

Un sistema en el cual una masa está sujeto a una fuerza de restauración lineal, como un muelle ideal. Un oscilador armónico vibra a una frecuencia fija, independiente de la amplitud.

Calor Tal como se define en termodinámica, el calor es la energía que fluye

entre dos sistemas como resultado de temperaturas diferencias (un sistema contiene ni el calor ni el trabajo , pero puede producción e calor o hacer el trabajo). Por lo tanto calor difiere de la energía térmica .

Capacidad calorífica

La relación del calor de entrada a la temperatura de aumento en un sistema. Tenga en cuenta que esta definición no implica que un sistemacontiene el calor, a pesar del nombre de capacidad calorífica .

Helmholtz energía libre

La energía interna de un sistema menos el producto de su entropía ytemperatura ; ver la energía libre .

Hidrocarburo Una molécula que consta solamente de H y C Enlace de hidrógeno

Un átomo de hidrógeno covalentemente unido a un átomo electronegativo (por ejemplo, nitrógeno, oxígeno) tiene una carga positiva significativa y puede formar un enlace débil a otro átomo electronegativo; esto se denomina un enlace de hidrógeno.

Fuerza hidrofóbica

Las moléculas de agua están unidas por una red de enlaces de hidrógeno . A no polar, no humectante, superficie (por ejemplo, cera) no puede formar enlaces de hidrógeno. Para formar su complemento completo de enlaces de hidrógeno, las moléculas de agua cercanas deben formar un más ordenado (por lo tanto menor entropía de red).Este cambio no sólo aumenta la energía libre y provoca fuerzas que tienden a dibujar superficies hidrofóbicas juntos a través de distancias de varios nanómetros.

I

Intermolecular Describe una interacción (por ejemplo, un producto químico de

reacción ) entre diferentes moléculas. La energía interna

La suma de las cinéticas y las energías potenciales (incluyendo energías de campo electromagnético) de las partículas que componen un sistema.

Intramolecular Describe una interacción (por ejemplo, un producto químico de

reacción ) dentro de una sola molécula. Interacciones intramoleculares entre partes muy distantes de una molécula se asemejan intermoleculares interacciones en la mayoría de los aspectos.

Ion Un átomo o molécula con una carga neta. Enlace iónico Un enlace químico resultante principalmente de la atracción

electrostática entre positivos y negativos iones . Isoelectrónico Dos moléculas se describen como isoelectrónico si tienen el mismo

número de electrones de valencia en orbitales similares, aunque pueden diferir en su distribución de cargas nucleares (por ejemplo, HC N y HN + C - . KineticPertaining a los tipos de químicasreacciones . Un rápido Se dice de reacción para tener cinética rápida; si el saldo de productos en una reacción es controlada por las velocidades de reacción en lugar de por los equilibrios termodinámicos, se dice que la reacción para ser controlado cinéticamente.

K, L

Energía cinética

Energía resultante del movimiento de masas.

Ligando En la proteína química, una pequeña molécula que es (o puede ser),

vinculado por una molécula más grande se denomina un ligando. En la química organometálica, un resto unido a un átomo de metal central también se denomina un ligando; la última definición es más común en la química general.

Lineal Aparte de su significado geométrico, lineal describe sistemas en los que una

salida es directamente proporcional a una entrada. En particular, una lineal elástica del sistema es una en la que los desplazamientos internos son(en el equilibrio) directamente proporcional a las fuerzas aplicadas.

Fuerza de dispersión Londres

Una fuerza de atracción causada por correlación electrónica de la mecánica cuántica. Por ejemplo, una molécula esférica neutro (tal como un solo átomo de argón) no tiene carga y no produce ningún campo eléctrico externo, sin embargo, un par de moléculas tiene una distribución de configuraciones electrónicas ponderados hacia aquellos con repulsiones electrón-electrón menores, lo que crea una pequeña atracción neta.

Par solitario Dos electrones de valencia de un átomo que comparten un orbital, pero no

participan en un enlace.

M

Máquina química en fase

La química de los sistemas en los que todas las fracciones potencialmente reactivos siguen trayectorias controladas (por ejemplo, guiados por las máquinas moleculares que trabajan en el vacío).

Mecánico Perteneciente a las posiciones y movimientos de los átomos, tal como

se define por las posiciones de sus núcleos; ver electrónico . Un dispositivo puramente mecánico puede ser descrito en términos de

posiciones atómicas y movimientos sin referencia a propiedades electrónicas, salvo a través de su efecto sobre la energía potencial función.

Mecanoquímica En este volumen, la química de los procesos en los

que mecánicossistemas operativos con precisión a escala atómica, ya sea guía, duro, o son impulsados por las transformaciones químicas. En el uso general, la química de los procesos en los que la energía se convierte de mecánica de forma química, o viceversa.

Mecanosíntesis Química de síntesis controlada por mecánicos sistemas operativos con

precisión a escala atómica, que permite la selección de posición directa de reacción sitios; aplicaciones sintéticas de mecanoquímica . Sistemas mecánicos adecuados incluyen AFM mecanismos manipuladores moleculares y molino moleculares sistemas. Procesos que caen fuera del alcance pretendido de esta definición incluyen reacciones guiadas por la incorporación de reactivos restos en una compartida covalente marco (es decir, convencionales intramoleculares reacciones), o por la unión de los reactivos a enzimas o enzymelike catalizadores .

Metaestable Un sistema clásico es metaestable si es superior a su estado de mínima

energía, sino que requiere un aporte de energía antes de que pueda llegar a un estado de menor energía, en consecuencia, un sistema metaestable puede actuar como un estable sistema, siempre que los insumos de energía (por ejemplo, térmicas fluctuaciones) se mantienenpor debajo de cierto umbral. Los sistemas con fuerte metaestabilidad sedescriben comúnmente como estable. Efectos de la mecánica cuántica pueden permitir estados metaestables de alcanzar energías más bajas por un túnel, sin un aporte de energía; asociada una definición más amplia de lameta- abarca todos los sistemas que tienen una larga vida útil (por algún estándar) en un estado por encima del estado de mínima energía.

Misreaction Una sustancia química reacción que falla al ceder un producto no

deseado. MM2 Un programa de mecánica molecular desarrollado por Norman

Allinger y compañeros de trabajo, y el `` modelo'' MM2 es la molecular energía potencial función descrita por ecuaciones, reglas y parámetros contenidos en ese programa.

MM2/CSC Un programa de la mecánica molecular desarrollado por Cambridge

Scientific Computing que sigue de cerca el modelo MM2, añadiendo una interfaz gráfica de usuario y otras características.

Módulo Cualquiera de varias medidas de presión contra

aplica estrés . Ver módulo de cizalla , el módulo de Young . Mitad Una porción de una estructura molecular que tiene una propiedad de

interés. Topo . Un número de instancias de algo (por lo general una especie

molecular) igualando ~ 6,022 1,023 Mole significa ordinariamente mol-gramo, un kilogramo-mole es de ~ 6.022 1.026.

Máquina molecular

Un mecánico dispositivo que realiza una función útil el uso de componentes de escala nanométrica y la estructura molecular definido;incluye tanto artificiales nanomáquinas y dispositivos naturales que se encuentran en los sistemas biológicos.

Manipulador Molecular

Un dispositivo programable capaz de posicionar herramientas moleculares con alta precisión, por ejemplo, para dirigir una secuencia demechanosynthetic pasos; un molecular ensamblador .

La fabricación molecular

La producción de estructuras complejas a través de no biológicamecanosíntesis (y las operaciones de montaje subsiguientes).

Modelos de mecánica molecular

Muchas de las propiedades de los sistemas moleculares se determinan por el molecular energía potencial función. Modelos de mecánica molecular aproximado esta función como una suma de 2-átomo, 3-átomo, y términos 4-átomo, cada uno determinado por las geometrías ybonos de los átomos componentes. Los términos 2-átomo y 3-atómicas que describen las interacciones de servidumbre corresponden aproximadamente a lineal muelles.

Molino Molecular

Un mecanoquímica sistema de procesamiento caracterizado por movimientos limitados y las operaciones repetitivas sin flexibilidad programable (ver manipulador molecular ).

Nanotecnología molecular Ver la nanotecnología .

Molécula Un conjunto de átomos unidos por enlaces covalentes . Una pieza

macroscópica de diamante es técnicamente una sola molécula.(Conjuntos de átomos unidos por enlaces de otros tipos a veces también se denominan moléculas.)

N

Nanomáquina Un artificial eutactic mecánica dispositivo que se basa en los

componentes a escala nanométrica; ver molecular máquina. NanomecánicosPerteneciente a nanomáquinas. Nanoescala En una escala de nanómetros, de dimensiones atómicas a ~ 100 nm. Nanosistemas A eutactic conjunto de componentes a nanoescala trabajando juntos

para servir a un conjunto de propósitos; nanosistemas complejos pueden ser de tamaño macroscópico.

Nanotecnología En el uso general reciente, cualquier tecnología relacionada con las

características de escala nanométrica: películas finas, partículas finas, síntesis química, microlitografía avanzada, y así sucesivamente. Como

presentado por el autor, una tecnología basada en la capacidad de construir estructuras para, especificaciones atómicas complejas mediante mecanosíntesis, lo que puede denominarse la nanotecnología molecular.

NMOS Es el acrónimo de n- canal de metal-óxido-semiconductor , como en

NMOS transistor y la lógica NMOS. Núcleo El núcleo de carga positiva de un átomo, un objeto de ~ 0.00001

diámetros atómicos contienen> 99,9% de la masa atómica.Posiciones nucleares definen posiciones atómicas.

O

Olefina Un alqueno . Reacción omitido

Un producto químico de reacción que falla al no ocurre (véase misreaction).

Orbital En la aproximación de que cada electrón en una molécula tiene una,

independiente distinta función de onda , la distribución espacial de una función de onda de electrones corresponde a una de orbitales moleculares.Estos, a su vez, se pueden aproximar como sumas de las contribuciones de los orbitales característicos de los átomos aislados. Un electrón añadido a una molécula - o, de manera similar, uno excitado a un estado de mayor energía dentro de una molécula - ocuparía un estado con una función de onda diferente del resto; un estado desocupado de este tipo corresponde a un desocupado orbital molecular. Efectos Orbital-simetría en las velocidades de reacción se presentan cuando una reacción requieresolapamiento entre dos lóbulos de los orbitales en cada uno de los dosreactivos : si los signos algebraicos de las funciones de onda de los lóbulos se enfrenta no coinciden, se prohíbe la formación de enlaces entrelos orbitales.

Superposición Orbitales carecen de superficies bien definidas, la disminución en la

amplitud de manera exponencial en sus regiones superficiales. Cuando dos orbitales se unen, las regiones de solapamiento importante amplitud. El sistema resultante puede ser descrito como dos nuevos orbitales, uno formado por la unión de los dos orbitales originales sin introducir un nodo en la función de onda , y la otra forma con un nodo entre ellos. El Nodeless unirse reduce la energía de los electrones en relación con los orbitales separadas, lo que resulta en una interacción de unión; unirse con un nodo aumenta la energía, la producción de una interacción antienlazante. Si están ocupados tanto nuevos orbitales, fuerzas antienlazantes dominan, lo que resulta en la repulsión solapamiento . mecánica molecular modelos dan una descripción aproximada de solapamiento (y otros) para las fuerzas de un cierto rango de átomos y geometrías.

Repulsión Overlap

Una fuerza de repulsión resultante de la no enlazante superposición de dos átomos.

P, Q

La función de partición

Una función determinada por la distribución de probabilidad (más delespacio de fases en el clásico tratamiento; sobre cuánticos estados en el tratamiento cuántico) que describen un sistema térmicamente equilibrada; muchas cantidades termodinámicas se puede expresar en términos de la función de partición y sus derivados.

PDF Consulte la función de densidad de probabilidad . Peptide Una cadena corta de aminoácidos; véase proteína . PES Ver superficie de energía potencial . El espacio de fase

Un sistema clásico de N partículas puede ser descrito por su 3 N posición y3 N impulso coordenadas. El espacio de fase asociado con el sistema es el 6N espacio tridimensional definido por estas coordenadas.

Phonon Un quantum de energía acústica, análogo al cuanto de radiación

electromagnética, el fotón. Excitaciones térmicas en un cristal o en un continuo elástico puede ser descrito como una población de fonones (análogos a la radiación electromagnética cuerpo negro). En los sólidos altamente homogéneos, una descripción en términos de fonones se rompe y los modos vibracionales localizadas se vuelven importantes.

El enlace Pi Un enlace covalente formado por la superposición entre dos p orbitales en

átomos diferentes (ver sp ). Bonos Pi se superponen a los enlaces sigma , formando dobles o triples enlaces .

El coeficiente de Poisson

Una barra de un material isótropo y elástico normalmente se contrae lateralmente cuando se estira longitudinalmente. La cepa de contratación lateral dividido por el esfuerzo de tracción aplicado es el coeficiente de Poisson, que varía de un material a otro.

Policíclicos A cíclico estructura contiene anillos de bonos; una estructura que tiene

muchos de estos anillos se denomina policíclicos. En las estructuras policíclicos de interés en este volumen, una gran fracción de los átomos son miembros de múltiples anillos pequeños, lo que resulta en una considerable rigidez.

Energía potencial

La energía asociada con una configuración de partículas, a diferencia de sus movimientos. En la experiencia macroscópica, la energía potencial se puede aumentar (por ejemplo) por el estiramiento de un resorte o mediante el levantamiento de una masa en contra de una fuerza gravitacional; en sistemas moleculares, la energía potencial se puede aumentar (por ejemplo) por el estiramiento de un enlace o por moléculas de separación en contra de un de van der Waals de atracción.

Superficie de energía

La energía potencial de un estado fundamental del sistema molecular que contiene N átomos es una función de su geometría, definido por

potencial 3 Ncoordenadas espaciales (un espacio de configuración ). Si la energía es imaginado como correspondiente a una altura en un 3 N + 1 espacio tridimensional, el paisaje resultante de colinas, huecos, y los valles es la superficie de energía potencial.

Potencial así En una superficie de energía potencial , la región que rodea a un mínimo

local de energía. Típicamente llevado a incluir al menos los puntos en el espacio de configuración de modo que un camino de constante disminución de la energía se puede encontrar que lleva a la mínima que se trate, y de tal manera que hay un camino similar se puede encontrar a cualquier otro mínimo. Si los PES eran un paisaje, esta sería la región que rodea el mínimo que podría ser llenado con agua sin ningún tipo fluye hacia abajo y lejos hacia otro mínimo.

Función de densidad de probabilidad

Considere una propiedad física incierto y un espacio correspondiente que describe el rango de valores que la propiedad pueda tener (por ejemplo, la configuración de un térmicamente excitados N sistema de partículas y el correspondiente 3 N espacio de configuración tridimensional). La función de densidad de probabilidad asociada con una propiedad se define en el espacio correspondiente, y su valor en un punto en particular es la probabilidad por unidad de volumen que la propiedad tiene un valor en una región infinitesimal alrededor de ese punto.

Proteína Las células vivas contienen muchas moléculas que consisten en polímeros

de ácido amino plegadas para formar estructuras tridimensionales más o menos definida, que son proteínas denominadas. Polímeros cortos que carecen de estructuras tridimensionales definidos se denominan péptidos. Muchas proteínas incorporan estructuras distintas de aminoácidos, ya sea como covalentemente cadenas laterales unidas o enlazadas comoligandos . Molecular objetos hechos de proteína forman gran parte de la maquinaria molecular de las células vivas.

La mecánica cuántica

La mecánica cuántica describe un sistema de partículas en términos de una función de onda definida sobre el espacio de configuración del sistema. Aunque el concepto de partículas que tienen distintas localizaciones está implícito en la energía potencial función que determinala función de onda (por ejemplo, de un estado fundamental del sistema), la dinámica observables del sistema no se pueden describir en términos demovimiento de estas partículas desde el punto a punto. En la descripción de las energías, distribuciones, y el comportamiento de los electrones en las estructuras de escala nanométrica, los métodos de la mecánica cuántica son necesarios. Electron funciones de onda ayudan a determinar la superficie de energía potencial de un sistema molecular, que a su vez es la base de clásicas descripciones del movimiento molecular.Nanomecánicos sistemas casi siempre se pueden describir en términos de la mecánica clásica, con correcciones de la mecánica cuántica ocasionales aplicadas en el marco de un modelo clásico.

El daño por Los cambios químicos (rotura del enlace, ionización) causada por la

radiación radiación de alta energía (por ejemplo, rayos X, rayos gamma, electrones de alta velocidad, protones, etc.)

Radical Una estructura con un electrón no apareado (pero con exclusión de

ciertos iones metálicos). En las moléculas orgánicas, un radical se asocia a menudo con un sitio altamente reactiva de valencia reducida (ver doblete). El radical término a veces se usa para describir una subestructura dentro de una molécula; el término radical libre a continuación, describe un radical en este sentido, se ve como el resultado de la escisión del enlace que une la subestructura al resto de la molécula.

Reacción Un proceso que transforma uno o más químicos especies en otros. Las

reacciones típicas de hacer o deshacer bonos , otros cambian el estado de ionización u otras propiedades tomadas para distinguir las especies químicas.

Reactivo A químicas especies que sufre el cambio como resultado de una

sustancia química reacción . Dispositivo Reactivo

Una gran reactivo de la estructura (o una gran estructura que se une un reactivo más pequeño) que sirve como un componente de unmecanoquímica sistema. Un dispositivo reactivo existe principalmente para mantener, la posición y manipular el entorno de un resto reactivo .

Fracción Reactivo

La porción de un dispositivo de reactivo que está íntimamente involucrado en un producto químico de reacción .

Receptor Una estructura que puede capturar una molécula (a menudo de un tipo

específico en una orientación específica), debido a las formas complementarias de superficie, cobra distribuciones, y así sucesivamente, sin formar un enlace covalente . Ver constante de disociación .

Reconstrucción Un cristal se compone de una matriz regular de átomos, y el modelo

más simple de una superficie de cristal se generaría simplemente descartando todos los átomos a un lado de una superficie sin cambiar las posiciones del resto. En realidad, sin embargo, las posiciones de los átomos restantes cambian. Un patrón de desplazamientos que reduce lasimetría de la superficie (en relación con el cristal idealmente terminado) se denomina una reconstrucción de la superficie; algunas reconstrucciones alteran el patrón de bonos.

Masa reducida Muchas de las propiedades dinámicas de un sistema que consta de dos

masas que interactúan, m 1 y m 2 , son equivalentes a las de un sistema en el que una masa se fija en el espacio y el otro tiene una masa (la masareducida) con el valor m 1 m 2 / ( m 1 + m 2 ). La descripción masa reducida tiene un menor número de variables dinámicas.

Registrar Una ubicación de almacenamiento temporal para una matriz de bits

dentro de un sistema de lógica digital.

Tiempo de relajación

Una medida de la velocidad a la que una distribución de desequilibrio decae hacia un equilibrio de distribución. El tiempo de relajación de electrones en un metal, por ejemplo, describe el tiempo requerido para una distribución de momentos de desequilibrio de electrones (por ejemplo, en una corriente que fluye a) a decaer hacia el equilibrio en la ausencia de una fuerza de conducción en curso y puede ser interpretadacomo el tiempo medio entre eventos de dispersión para un electrón dado.

Punto Representante

El punto en un espacio de configuración que representa la geometría de un sistema.

Estructura rígida

Como se usa en este volumen, un covalente estructura que es razonablemente rígido. En una típica estructura rígida, todos los modosde deformación encuentro de primer orden la restauración de las fuerzas que resultan de una combinación de bonos de estiramiento y el ángulo de flexión, una estructura de este tipo no puede someterse a la deformación por torsión de bonos solo. El cumplimiento de esta condición por lo general requiere un policíclico diamondoid estructura.

S

Puente salino Un enlace iónico entre cargadas grupos que forman parte de

grandescovalentes estructuras; puentes de sal se producen en muchas proteínas .

Saturado Una molécula orgánica saturada se describe como si se trata de una

especie de capa cerrada que carecen de dobles o triples enlaces ; la formación de un nuevo enlace a una molécula saturada requiere la escisión de un enlace existente.

Microscopio de efecto túnel

Un dispositivo en el que una punta conductora fuerte, se mueve a través de una superficie conductora lo suficientemente cerca para permitir una corriente túnel sustancial (típicamente un nanómetro o menos). En un modo de funcionamiento común, el voltaje se mantiene constante y la corriente se controla y se mantiene constante mediante el control de la altura de la punta por encima de la superficie; el resultado, en condiciones favorables, es un mapa de resolución atómica de la superficie reflectante una combinación de la topografía y las propiedades electrónicas. El STM se ha utilizado para manipular los átomos y moléculas en las superficies.

Módulo de cizallamiento

Shear stress dividido por cizalla cepa ; tiene las unidades de fuerza por unidad de área.

Esquilar Una deformación por cizallamiento es uno que desplaza capas sucesivas

de un material transversalmente con respecto a la otra, como una pila torcida de tarjetas. Shear es una cantidad adimensional medido por la relación entre el desplazamiento transversal al espesor sobre la que se produce.

Sigma bonos Un enlace covalente en el que se superponen entre dos

atómicas orbitales(por ejemplo, de sp, sp2, o sp3 hibridación) produce una sola unión orbital en la que la distribución de los electrones compartidos tiene una simetría casi cilíndrica alrededor del eje que une los dos átomos, ver enlace pi ,enlace simple , enlace doble , triple enlace . Por sí mismos, los enlaces sigma presente poco de barrera a la rotación de una subestructura con respecto a otro, aunque estéricos efectos y cíclicos estructuras pueden dificultar o rotación de bloques.

Enlace simpleUn enlace sigma no tener asociados enlaces pi. Camiseta Un estado electrónico de una molécula en la que están emparejados todos

los giros; ver doblete , triplete . sp, sp2, sp3 Un átomo de carbono aislado tiene cuatro valencias orbitales : tres

perpendiculares entre sí, p orbitales, cada uno con un solo plano nodal, y una simetría esférica s orbital. Un átomo de carbono en una molécula típica puede ser considerado como la unión con cuatro orbitales que consisten en sumas ponderadas (híbridos denominados) de estos s y p orbitales. Un patrón común tiene cuatro orbitales equivalentes, cada uno formado por la combinación de los tres p orbitales con la s orbital; esto es SP3 hibridación.Un sp3 átomo de carbono forma cuatro enlaces sigma , por lo general en una disposición más o menos tetraédrica. Otro patrón común tiene tres orbitales equivalentes formados por la combinación de dos p orbitales con el s orbital, lo que se denomina sp2 hibridación. Un sp2 átomo de carbono forma tres enlaces más o menos coplanares sigma, generalmente separados por ~ 120, y un enlace pi (o varios enlaces pi parciales). Si una sola p orbital se combina con la s orbital, el resultado es sp hibridación, formando dos enlaces sigma y dos enlaces pi (por lo general en una línea recta). Los átomos de otros tipos (por ejemplo, N y O) pueden hibridar de manera análoga.

Especies En química, un tipo distinto de molécula , de iones , u otra estructura. Estable En sentido estricto, un sistema que se denomina estable si no la

reordenación de sus partes puede formar un sistema de baja energía libre .En la práctica, el término se utiliza con una condición implícita en relación con las transformaciones que deben ser considerados. El hidrógeno no es considerado inestable mero hecho de que está sujeto a la fusión nuclear a temperaturas extremas. Un sistema generalmente es considerado como estable (más precisamente, como cinéticamente estables) si su tasa de transformación a un estado de menor energía libre es despreciable (por algún estándar) en las condiciones ambientales. En nanomecánicossistemas, una estructura común puede serconsiderada como estable si tiene una muy baja tasa de transformaciones cuando se somete a sus condiciones de funcionamiento previstas.

Estado Un sistema físico se dice que está en un estado particular cuando sus

propiedades físicas caen dentro de algún intervalo particular; los límites de la gama que definen un estado dependen del problema en consideración. En una clásica mundo, cada punto en el espacio de fase podría decirse que corresponde a un estado distinto. En el mundo

real, los sistemas invariantes en el tiempo en la mecánica cuántica tienen un conjunto de estados discretos, superposiciones particulares de las cuales constituyen una descripción completa del sistema. En la práctica, los límites más amplios suelen ser atraídos. Una molécula se dice a menudo para estar en un emocionado especial electrónica del estado, independientemente de su estado de mecánica de vibración. En nanomecánicos sistemas, el PSA a menudo corresponde a un conjunto de distintos pozos de potencial , y todos los puntos en el espacio de configuración dentro de un pozo en particular puede ser considerada como un estado. Definiciones de estado en la termodinámica de la materia a granel son análogos, pero muy gruesa por estas normas.

Mecánica estadística

Mecánica estadística trata a la detallada estado de un sistema (su quantumestado o, en clásicos modelos, su posición en el espacio de fase ) como desconocido y con sujeción a las incertidumbres estadísticas; entropía es una medida de la incertidumbre. Mecánica estadística describe la distribución de estados en un equilibrio del sistema en un momento dado la temperatura (que describe o bien la distribución de probabilidades de los estados cuánticos o la función de densidad de probabilidad en el espacio de fase ), y se puede utilizar para derivar termodinámicas propiedades de las propiedades en el nivel molecular. Estos resultados de equilibrio son útiles en nanomecánicos diseño.

Steric Perteneciente a la relación espacial de los átomos en una estructura

molecular y, en particular, a las propiedades de compilación de la molécula. Si las moléculas eran rígidos y tenía superficies duras, las propiedades estéricas serían simplemente una forma opaca de decir "forma", una cadena lateral flexible, sin embargo, tiene propiedades estéricas definitivas, pero no de forma fija. Nanomecánicos sistemas hacenun amplio uso de las propiedades estéricas de moléculas relativamente rígidos, para los cuales el término "forma" tiene esencialmente su significado convencional, siempre y cuando uno recuerda que las interacciones superficiales son suaves en las pequeñas escalas de longitud.

El impedimento estérico

Disminución de la tasa de un producto químico de reacción debido a la presencia de estructuras en los reactivos que interfieren mecánicamente con los movimientos asociados con la reacción, típicamente por obstruir elsitio de reacción.

Rigidez La rigidez de un sistema con respecto a una deformación (por ejemplo, la

rigidez de un muelle con respecto al estiramiento) es la segunda derivada de la energía con respecto al desplazamiento correspondiente; esto mide lacurvatura de la superficie de energía potencial a lo largo de una dirección particular . Rigidez positiva se asocia con la estabilidad, y una gran rigidez puede resultar en una pequeña incertidumbre posicional en la presencia de excitación térmica. Rigideces negativos corresponden a las ubicaciones inestables en la superficie de energía potencial. Los términos alternativos para la rigidez incluyen fuerza del gradiente y rigidez.

STM Un microscopio de efecto túnel . Colar En la ingeniería mecánica, la tensión es una medida de la deformación

resultante de estrés (es decir, la fuerza por unidad de área); el desplazamiento de un punto con respecto a otro, dividido por su equilibriode separación en ausencia de estrés. En química, un fragmento molecular generalmente tiene alguna geometría de equilibrio (longitudes de enlace, ángulos Interbond, etc) cuando el resto de la estructura molecular no impone limitaciones especiales (por ejemplo, flexión bonos para formar un pequeño anillo). Las desviaciones de esta geometría de equilibrio se describen como cepa, y aumentan la energía de la molécula. Colar en el sentido de la ingeniería mecánica causa tensión enel sentido químico.

Estrés Fuerza por unidad de área aplicada por una parte de un objeto a otro. La

presión es un esfuerzo de compresión isotrópica. La suspensión de una masa de una fibra lo coloca en un esfuerzo de tracción. Pegado de una capa de caucho entre dos placas y luego deslizando una sobre la otra (mientras mantiene su constante separación) coloca la goma de cizalla estrés.

Volumen estructural

El interior de un diamondoid estructura típicamente consiste en una densa red de enlaces covalentes ; un mayor volumen excluido , sin embargo, está determinada por las repulsiones no enlazantes en la superficie. El volumen estructural corresponde a una región más pequeña que el volumen excluido, elegido para hacer propiedades tales como la fuerza y módulo detamaño casi independiente mediante la corrección de los efectos de superficie.

Síntesis La producción de un determinado molecular estructura mediante una

serie de químicos reacciones. Sistema En el uso científico, por lo general equivalente a "un conjunto de materia y

energía que se analiza como una unidad." En el uso de ingeniería, por lo general equivalente a "un conjunto de componentes que trabajan juntos para servir a un conjunto de propósitos."

T

Temperatura Un sistema en el que los modos de vibración internos han equilibrada

con el uno al otro puede decirse que tiene una temperatura particular. Dos sistemas A y B se dice que están a diferentes temperaturas si, cuando se pone en contacto, el calor fluye de (digamos)de A a B, el aumento de la energía térmica de B a expensas de la energíatérmica de A.

La energía térmica

El interior de la energía presente en un sistema como resultado de la energía de modos vibracionales térmicamente equilibradas y otros movimientos (incluyendo tanto la energía cinética y la energía potencialmolecular). La energía térmica media de un oscilador armónico clásico es kT.

La expansión térmica

La velocidad de cambio de la longitud con respecto a la temperaturapara un material particular.

coeficiente Fluctuaciones térmicas

La energía térmica de un sistema (o de una parte particular o modo de movimiento en un sistema) tiene un valor medio determinado por latemperatura y por la estructura del sistema. Desviaciones estadística para decir eso se denominan fluctuaciones térmicas, que son de gran importancia en la determinación de las tasas de químicos reaccionesy las tasas de error en los sistemas nanomecánicos.

Termodinámica Un campo de estudio que abarca la conversión de energía entre varias

formas, incluyendo el calor , el trabajo , y el potencial de la energía y la cinética.

Termoelástico Ambos de estrés y de temperatura cambios alteran las dimensiones de

un objeto que tiene un finito rigidez y un coeficiente de dilatación térmica distinto de cero. La aplicación de una tensión a continuación, produce un cambio de temperatura, lo que puede dar lugar a un calordeflujo que entonces cambia el estrés: estos son efectos termoelásticas, y dan como resultado pérdidas de energía libre .

Thiol Un grupo SH, o una molécula que contiene uno. También conocido

como un grupo sulfhidrilo o mercapto. -Receptores de apretado estructuras

Una estructura del receptor en el que un salto ligando de un tipo particular se limita en todos los lados por las interacciones repulsivas (tenga en cuenta que las energías de unión favorables son compatibles con fuerzas de repulsión). Una estructura del receptor apretado discrimina fuertemente contra todas las moléculas más grandes que el objetivo.

Del estado de transición

En el punto de una silla de montar Col que une dos pozos de potencial, la dirección de máxima curvatura negativa define la coordenada de reacción, el estado de transición es un sistema hipotético de dimensionalidad reducida, libre para moverse sólo en una hipersuperficie perpendicular a la coordenada de reacción en su punto de energía máxima.

La teoría del estado de transición

Cualquiera de varias teorías que dan descripciones aproximadas de químicas de reacción tarifas basadas en el PSA del sistema, y, en particular, en las propiedades de dos pozos de potencial y un estado de transición entre ellos.

Triple enlace Un doble enlace se forma cuando un enlace pi se superpone a unenlace

sencillo , añadiendo un segundo los resultados de enlace pi en un triple enlace. Los dos enlaces pi tener planos nodales perpendiculares, y su suma tiene simetría más o menos cilíndrica, que permite la rotación en mucho la misma manera que un enlace sencillo.

Trillizo Un estado electrónico de una molécula en la que están alineados dos

giros. Este término se deriva de la espectroscopia: un sistema de dos espines alineados tiene tres posibles orientaciones con respecto a un campo magnético, cada uno tiene una energía diferente, lo que resulta en grupos de tres líneas espectrales dependientes de campo

(ver doblete , singlete .)TST Transición teoría del estado . Tunneling Una partícula o sistema clásico no podrían penetrar en regiones en las

que su energía sería negativo, es decir, las regiones de barrera en la que el potencial de energía es mayor que la energía del sistema. En el mundo real, sin embargo, una función de onda de amplitud significativa se puede extender hacia y más allá de una región tal. Si la función de onda se extiende dentro de otra región de energía positiva, la barrera se cruzacon cierta probabilidad; este proceso se denomina tunelización (desde la barrera se penetra en lugar de subió).

U, V, W, Y

Unimolecular Ocurriendo o dentro de una única molécula, como intramolecular , pero

puede referirse a las reacciones de fragmentación. No saturada La posesión de dobles o triples enlaces . Los electrones de valencia

Los electrones que pueden participar en los bonos y en las reacciones químicas; par solitario de electrones son electrones de valencia, a pesar de que no participan en un enlace.

Valencia En covalentes compuestos, la valencia de un átomo es el número de

enlaces que forma a otros átomos. Van der Waals fuerza

Cualquiera de varias fuerzas de atracción intermoleculares no resultan de cargas iónicas; en este volumen, sólo las fuerzas de dispersión de London son descritas por este nombre. Descripciones de la energía potencial de las interacciones no enlazantes siguen la convención de expresar de van der Waals fuerzas de atracción y se superponen fuerzas derepulsión como una sola de van der Waals potencial .

La función de onda

En la mecánica cuántica , una función compleja que se extiende sobre la configuración de SPAC de correo de un sistema; su complejo conjugado se obtiene la función de densidad de probabilidad , y otras operaciones matemáticas dió otras cantidades físicas.

Trabajar Energía transferida por la aplicación de una fuerza sobre una distancia;

levantar una masa funciona contra la gravedad, y almacena gravitacional energía potencial .

Módulo de Young

Un módulo relativo a la tracción (o compresión) estrés a la tensión en una barra que es libre para contraer o expandir transversalmente de acuerdo con su coeficiente de Poisson . La medida relevante de la cepa es el alargamiento dividido por la longitud inicial.

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Progreso hacia la nanotecnología avanzadaE-drexler.com explora una línea de desarrollo tecnológico que comienza con las capacidades actuales de

laboratorio para la ingeniería molecular y se extiende a lo largo de un camino gradual hacia las tecnologías

de transformación de la industria manufacturera precisión atómica de alto rendimiento.

Esta línea de desarrollo y sus objetivos son importantes en áreas que van desde la elección de la educación la

ciencia y la investigación en nanotecnología a los problemas mundiales en las escalas más grandes, como la

colisión de desarrollo económico con los recursos mundiales y las limitaciones ambientales.

"Revolucionando el futuro de la tecnología" (en la página web EurekAlert AAAS) ofrece la mejor breve

introducción general al concepto de nanosistemas productivos.La mejor introducción breve a los principios

físicos subyacentes es "nanosistemas productivos: la física de la fabricación molecular" [pdf] , del Instituto

de Física de larevista Educación Física. El libro fundacional, nanosistemas: Maquinaria Molecular,

Fabricación, y Computación, presenta aa detallada análisis técnico de los principios físicos y una arquitectura

posible implementación de sistemas de fabricación precisión atómica de alto rendimiento.

Para una refutación autorizada de la vieja propaganda en este tema - y un llamado a la investigación centrada

- ver el informe de las Academias Nacionales de EE.UU. en la fabricación molecular, y más allá de esto, el

informe laboratorios Battelle / Nacional,nanosistemas productivos: Plan de trabajo de Tecnología.

Para obtener información actualizada sobre las perspectivas de progreso de la investigación en el campo, ver

mi blog, Metamodern.com, incluyendo:

• "La base física de alto rendimiento de fabricación de precisión atómica"

• "Fabricación Molecular: ¿dónde está el progreso"

• "La promesa que lanzó el campo de la nanotecnología"

Nanosistemas productivos: Una hoja de ruta tecnológicaA, la exploración multidisciplinar de amplia base de calzadas para la fabricación molecular y de los productos basados en la nanotecnología avanzada, las direcciones de la Hoja de ruta de cómo las actuales técnicas de laboratorio pueden ser extendidos, paso a paso, hacia los productos y capacidades cada vez más avanzadas.

El proyecto de plan de trabajo fue dirigido por el Battelle Memorial Institute, el gerente de Laboratorios Nacionales de EE.UU., que incluyen Pacific Northwest, Oak Ridge, y Brookhaven, estos laboratorios organizó varios talleres de la Hoja de Ruta y proporciona muchos de los científicos e ingenieros que participan.

Docments Roadap:Resumen Ejecutivo

Plan de trabajo (documento principal)

los procedimientos de trabajo de grupo [14.5 MB]

Adición: Producción de ADN de bajo costo

Acerca de la Hoja de Ruta. . .

EE.UU. Informe Nacional de Academias de Fabricación MolecularOpinión Federal llama a financiar la investigación experimentalEl Consejo Nacional de Investigación de las Academias Nacionales de EE.UU.

revisó el concepto y el análisis de alto rendimiento de la fabricación molecular

y presentó sus conclusiones en relación con la revisión trienal de la Iniciativa

Nacional de Nanotecnología. El informe cita el análisis basado en la física

de nanosistemas: Maquinaria molecular, Industria y Computación, y pide que

la investigación experimental dirigida a la fabricación molecular, incluyendo

tanto demonstations de principio y la exploración de las vías de desarrollo.

•Informe del NRC en la fabricación molecular[pdf]

•Revisión completa de la NNI [pdf]

Nanofactories: The Movie"Nanosistemas productivos: De las moléculas a superproducts" comienza en la escala humana, zoom a

través de un factor de aumento de un mil millones de moléculas de seguir, ya que están ordenados,

unidos, transformado, y se unieron para formar componentes más grandes y de mayor tamaño de un

ordenador portátil millones de procesadores ordenador.

Esta es la primera visualizaton de la fabricación molecular que tiene lo básico: la amplia gama de

escalas, la organización de la fábrica de estilo del aparato productivo y la naturaleza física de los

procesos implicados en la unión, transformación, y la combinación de moléculas para hacer

sucesivamente componentes más grandes. Está lejos de ser un modelo, sino que representa una

arquitectura realista sistema que está generalmente en línea con el análisis de nanosistemas:

Maquinaria Molecular, Fabricación, y Computación . Por ejemplo, aunque el equipo de fábrica es de

tamaño nanométrico, es cualitativamente familiar: las operaciones de transporte y procesamiento son

implementados por la automatización de fuerza y pick-and-place máquinas, no por los nanobots átomo-

malabares de la mitología popular .

John Burch de LizardFire Studios produjo el video e hizo gran parte del diseño mecánico. Me dijeron

que John, hice las ilustraciones para el zoom exponencial, y trabajé con el Dr. Damian Allis en el diseño

y el análisis basado en la química cuántica-de las transformaciones moleculares se muestran en la

primera escena nanoescala.

El vídeo está disponible como una descarga de alta resolución [vídeo, 94 MB] ,

o se puede ver aquí, en YouTube:

Disponible por E-drexler.com: Capítulos de ejemplo, glosario y tabla extendida de contenido del texto

basado en la física en la fabricación molecular, nanosistemas: Maquinaria Molecular, Fabricación, y

Computación

Con traducciones recientes: Motores de la creación: la próxima era de la

nanotecnología , ahora en HTML con enlaces a traducciones (en versión impresa y

en la web) japonés, español, ruso, italiano, francés y chino.

También disponible como un WOWIO de libros electrónicos, motores de la

creación 2.0 . Se trata de una edición de 20 aniversario, que combina el texto

original con una serie de lecturas de fondo y comentarios actualizados por el

autor.

Cuidado con la ilusión estroboscópica!Cada video que muestra nanomáquinas vibrando como este es engañosa en un aspecto crucial:Este video (y otros como él) muestra la dinámica molecular de un cadáver, la

estructura covalente de la clase que los métodos de nanofabricación

avanzados harán factible. Las simulaciones de este tipo se basan en modelos

estándar de mecánica molecular utilizados en química computacional y la

dinámica es sorprendentemente realista, ya que el comportamiento de las estructuras rígidas como

estos es insensible a los errores en los modelos físicos subyacentes.

Las salidas de vídeo estándar, sin embargo, son profundamente engañosa en un aspecto crucial:

La ilusión estroboscópico presenta la falsa apariencia de que las velocidades de los movimientos

mecánicos y térmicos son similares. Si esto fuera así, el acoplamiento entre los movimientos mecánicos

y térmicos sería fuerte y la fricción dinámica sería enorme. En realidad, movimientos mecánicos en las

condiciones previstas de funcionamiento serían del orden de 1/1000 tan rápido como movimientos

térmicos, y los átomos en superficies de deslizamiento veríamos lo que equivale a una energía potencial

promediada en el tiempo en interacciones a través de las interfaces, y como consecuencia , el

acoplamiento de movimiento mecánico a modo térmico es pequeño. Modelado computacional muestra

que la fricción dinámica en los sistemas bien diseñados pueden ser extraordinariamente baja.

El siguiente video hace que todo esto maravillosamente claro:

Por cierto, este video muestra realmente dinámica a una temperatura simulada algo por debajo de 300

K; amplitudes de movimiento en 300 K sería de alrededor de 20% más grande, haciendo que el efecto se

ilustra más vívida.

El NanoEngineer-1 Galería tiene una colección de simulaciones de dinámica molecular de las máquinas

moleculares.

Productivo NanosistemasNanosistemas productivos de primera generaciónBiología proporciona una prueba de la existencia de nanosistemas productivos, demostrando que

pueden producir una enorme cantidad de productos atómicamente precisas de forma limpia y de bajo

costo. Nanosistemas productivos de generación temprana, habilitados por la investigación actual en las

nanotecnologías y las ciencias moleculares, pueden seguir el modelo biológico, la construcción de

máquinas pequeñas de los componentes poliméricos auto-ensambladas. Diseño y análisis, sin embargo,

muestran que las capacidades a más largo plazo pueden crecer mucho más allá de este modelo

biológico. La historia de la tecnología se centra en el uso de herramientas para construir mejores

herramientas; nanosistemas productivos de primera generación se abrirá la puerta a los sistemas

avanzados.

Nanosistemas productivos avanzadosNanosistemas productivos avanzados (es decir, los sistemas de fabricación molecular ) permitirá la

fabricación de grandes y complejos productos limpia, eficiente y de bajo costo. Entre los productos

viables de nanosistemas productivos avanzados serán los siguientes:

•computadoras de escritorio con un billón de procesadores

•sistemas de energía solar de bajo costo, eficientes

•dispositivos médicos capaces de destruir los agentes patógenos y los tejidos de reparación

•materiales 100 veces más fuerte que el acero

•sistemas militares superiores

•sistemas de fabricación moleculares adicionales (Un sistema de escritorio se muestra en esta

animación. )

Los sistemas avanzados de proporcionar un objetivo a largo plazo, pero incluso los sistemas de primera

generación tendrán un gran valor práctico y científico. El desarrollo de nanosistemas productivos de

primera generación es un objetivo práctico hoy en día.Creciente base de la tecnología de hoyEn la última década los avances en nanotecnologías y las ciencias moleculares proporciona una

plataforma para el desarrollo de nanosistemas productivos. Los avances recientes incluyen técnicas

para la síntesis sin errores de hebras largas de ADN [PDF, 240 KB] , para el diseño y la síntesis de ADN,

estructuras complejas de autoensamblado, para el diseño y la producción de rutina, objetos poliméricos

a escala nanométrica precisión atómica, y para síntesis de una gran cantidad de partículas a nanoescala

de precisión atómica y fibras. Juntos, estos forman una base para la ingeniería de estructuras de

materiales compuestos auto-ensambladas en el que los biopolímeros ofrecen precisión atómica

"pegamento" para otros componentes.

Cambio de la narrativa en los EE.UU.En los Estados Unidos, los malentendidos y la política de financiación impulsadas han retrasado el

progreso hacia la nanotecnología avanzada, pero este problema ha disminuido en gran medida. Un

estudio del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ver noticia anterior) ha evaluado los

sistemas de fabricación molecular como objetivo y pidió financiamiento del trabajo experimental. Tanto

la evaluación como la convocatoria de financiación son hitos dentro del gobierno federal de los

EE.UU.. El lanzamiento de la Hoja de Ruta de la Tecnología Productiva nanosistemas , el resultado de

un proyecto liderado por el Battelle Memorial Institute , con la participación de investigadores de los

Laboratorios Nacionales de Estados Unidos 5, marca otro hito.

La fabricación molecular será capaz de hacer una amplia gama de productos de calidad superior, muchos de ellos con habilidades sin precedentesGracias a su capacidad para fabricar una amplia gama de estructuras con precisión atómica, la fabricación molecular ampliará en gran medida los límites de la posibilidad tecnológica. Hará posible equipo escala micrométrica CPU s lo suficientemente eficiente (potencia de funcionamiento~ 100 nanovatios) para que los sistemas de escritorio refrigerados por aire contienen mil millones de procesadores. Esto hará que los posibles materiales sobre 100 veces más fuerte que los de uso común hoy en día, lo que permite grandes reducciones en la masa de productos (especialmente productos aeroespaciales) y en el consumo de materias primas. Los sistemas mecánicos utilizando eficiente, a nanoescala, DC motogeneradores eléctricos podrán interconvert energía eléctrica y mecánica con alta densidad de potencia (> 1 GW / cm 3 ). Sistemas que combinan sensores a nanoescala, ordenadores y herramientas traerán control quirúrgico a nivel molecular, lo que permite la destrucción precisa de las células de cáncer y SIDA virus. Sistemas de fabricación molecular, incluso se puede utilizar para construir sistemas de fabricación más moleculares.

Un avance de esta magnitud traerá dos enormes oportunidades y el potencial para el abuso y la enorme alteración. En el ámbito militar, las capacidades resultantes tienden a ser decisivo. Gran parte de la razón para el examen de la fabricación molecular hoy es permitir mejores decisiones sobre el futuro.

¿Cuál es la base de estas expectativas?

Ordenadores: Recuerde que los potentes procesadores se pueden construir con menos de 10 7 transistores, mientras que un micrón cúbico contiene 10 9 nanómetros cúbicos, y puede contener> 10 11 átomos. El análisis de una tecnología específica de aplicación ( nanosistemas, Capítulo 12) se obtiene el volumen y el número de consumo de energía en consonancia con la declaración anterior.

Materiales fuertes: La declaración anterior es equivalente a decir que la fabricación molecular será capaz de construir estructuras con la fuerza de grafito de alta calidad, diamante, o nanotubos de carbono. Estos materiales se forman bajo condiciones de laboratorio, cuando las especies que contienen carbono reactivas de bonos (y transferencia de hidrógeno desde y hacia) las superficies. Sistemas de fabricación moleculares pueden usar reacciones análogas, pero utilizando el control mecánico para guiar el proceso de deposición de carbono con precisión atómica (nanosistemas, Sección 8.6).

Altas motogeneradores de densidad de potencia: Recordemos que los pequeños dispositivos mecánicos pueden operar a altas frecuencias, lo que resulta en altos rendimientos de (por ejemplo) de carga en una base por unidad de volumen.nanosistemas, Sección 11.7 describe una escala de 100nm, 10 V, 110 nA DC motor con un rendimiento en el rango indicado anteriormente. (Leyes de escala también producen un alto rendimiento de los materiales. )

La destrucción de los agentes patógenos y las células de cáncer: los sistemas de máquinas moleculares en la naturaleza demuestran que los dispositivos capaces de las clases requeridas de la detección y de la acción a escala molecular son factibles. La fabricación molecular permitirá la construcción de una gama más amplia de dispositivos, tanto la imitación y se extienden los sistemasnaturales. En particular, se permitirá el uso de computadoras programables de tamaño subcelular para evaluar los datos de los sensores y seleccionar objetivos.

La construcción de sistemas de fabricación más moleculares: La gama de estructuras que se pueden construir al guiar mecánicamente ensamblaje molecular es muy grande, e incluye estructuras que pueden guiar mecánicamente ensamblaje molecular. Sistemas de fabricación molecular necesita contener ninguna parte de las clases que no se pueden hacer y se combinan mediante la fabricación molecular.

Capacidades militares decisivas: avances esperados de cálculo, de materiales, y el costo de producción parecen lo suficientemente grande como para permitir que los desarrollos que pueden abrumar las fuerzas basadas en las tecnologías anteriores.

¿Cómo podemos determinar hechos acerca de una tecnología que aún no existe?

Los conocimientos actuales en la ciencia y la ingeniería proporciona las bases para nuestra

comprensión actual de la fabricación molecular

¿Cómo se puede desarrollar la fabricación molecular?

La investigación en todo el mundo está avanzando a lo largo de varias rutas hacia la fabricación

molecular

Modelado basado en la física y análisis de ingeniería proporcionan una base para la comprensión de un limitado pero potente gama de nanotecnologías avanzadasPodemos echar un vistazo a las tecnologías del futuro, porque a veces podemos entender las cosas que

aún no podemos construir. Química, biología, la ingeniería y la física aplicada, proporcionan

perspectivas útiles.

Química demuestra que las nuevas estructuras se forman cuando moléculas reactivas de mes. Mediante

el uso de la maquinaria molecular para guiar moléculas reactivas, objetos con estructuras moleculares

similares pueden ser construidos a mayores escalas. Los productos resultantes pueden ser más fuertes,

más duras y más capaz que las delicadas estructuras que se encuentran en las células vivas - 100 veces

más fuerte que el acero, y el trabajo con una velocidad y eficiencia que sólo es posible por los sistemas

moleculares precisos que operan sin arrastre de líquidos.

Biología muestra que pueden existir máquinas moleculares, pueden ser programados con los datos

genéticos, y pueden construir máquinas más moleculares. Biología muestra que los productos de los

sistemas de máquinas moleculares pueden ser tan barato como patatas. La fabricación molecular hará

una gama mucho más amplia de productos para los costos igualmente bajos.

Ingeniería muestra que las partes fuertes y precisos se pueden combinar para hacer que los

ordenadores, los robots, y un sinfín de artilugios útiles. Física Aplicada, con la ayuda de modelos

informáticos, muestra que este tipo de dispositivos se pueden construir a partir de piezas de precisión

atómica de escala nanométrica. Estos destellos de las tecnologías del futuro son suficientes para

establecer la posibilidad de que la fabricación molecular.

La fabricación molecular utilizará nanomáquinas para construir grandes productos con precisión atómicaLa fabricación molecular es una tecnología de futuro anticipado basado en la visión de Feynman de

fábricas utilizando nanomáquinas para crear productos complejos, incluyendo nanomáquinas

adicionales. Se promete traer grandes mejoras en el coste y el rendimiento de los productos

manufacturados, mientras que hace posible una gama de productos imposibles hoy.

Cada método de fabricación es un método para la organización de los átomos. La mayoría de los

métodos de organizar átomos crudamente; incluso los mejores microchips comerciales son

groseramente irregular a escala atómica. Muchas de las nanotecnologías de hoy se enfrentan al mismo

límite. La química y la biología, sin embargo, hacen que las moléculas definidas por disposiciones

particulares de átomos - siempre los mismos números, tipos, y bonos. Los químicos lo hacen utilizando

trucos ingeniosos que no se adaptan bien a la construcción de grandes estructuras y complejos. Biología,

sin embargo, utiliza un método más poderoso: las células contienen máquinas moleculares que leen

datos genéticos digitales para guiar el montaje de grandes moléculas (proteínas) que sirven como partes

de máquinas moleculares. La fabricación molecular - aunque en la mayoría de aspectos muy diferentes

de cualquier cosa biológica - serán además utilizar los datos almacenados para guiar la construcción de

máquinas moleculares, que se extiende en gran medida las capacidades en nanotecnología.

La idea básica es simple: donde los químicos se mezclan las moléculas en solución, lo que les permite

vagar y chocan entre sí en al azar, nanomáquinas en su lugar se moléculas de posición, colocándolos en

lugares específicos en una secuencia cuidadosamente elegido. Dejar que las moléculas chocan al azar

conduce a reacciones no deseadas - un problema que empeora como productos se hacen más

grandes. Con la celebración y el posicionamiento de las moléculas, las nanomáquinas controlarán cómo

las moléculas reaccionan, la construcción de estructuras complejas con control de precisión atómica.

Los principios básicos de nanomáquinas y la fabricación molecular han sido objeto de un extenso

análisis técnico, basado en el conocimiento establecido en la química, la física aplicada y la ingeniería

mecánica. Partes de este análisis son revisados en otra parte de este sitio web.

Sistemas de fabricación molecular completa tendrán muchos subsistemas, diseñados para las muchas limitaciones

(imagen disponible

para su uso )

Un sistema de fabricación molecular completa (como un sistema completo de fabricación convencional)

será complejo. Debe tener, por ejemplo:

•una carcasa para proteger su interior del aire, la humedad y la suciedad

•entradas para materias primas líquidas para el suministro de moléculas para el procesamiento

•mecanismos de clasificación molecular para purificar entradas

•alineación y mecanismos de unión para organizar los flujos de moléculas

•dispositivos mechanosynthetic para procesar entradas en herramientas reactivas

•dispositivos mechanosynthetic para aplicar herramientas para piezas de trabajo

•mecanismos de tipo molino para unirse a las piezas de trabajo en bloques más grandes

•mecanismos programables para unir bloques en productos complejos

•un puerto para entregar los productos terminados al tiempo que protege el espacio interior

•motores para conducir partes móviles

•equipos para el control de los flujos de materiales y los mecanismos de ensamblaje

•datos y programas para dirigir los equipos almacenados

•los canales de comunicación de datos a las acciones de coordinación

•sistemas eléctricos para la distribución de energía

•un sistema de refrigeración para disipar el calor de residuos

•un marco estructural para soportar los componentes internos de la carcasa y

Además, todos estos componentes deben incluir redundancia adecuada para permitir el funcionamiento

de la presencia de una fracción significativa de los componentes a nanoescala fallidos (principalmente

debido a los daños de la radiación de fondo).Operaciones individuales deben ser sometidos a pruebas y

corrección, o deben ser extremadamente fiable. Las piezas móviles deben ser apoyados por los

cojinetes.Bloques de construcción deben ser relativamente rígida, y deben ser diseñados a la medida y

unirse al combinarse con la alineación correcta. El análisis de las operaciones moleculares debe tener en

cuenta los fenómenos cuánticos y vibración térmica. El análisis global debe tener en cuenta la entropía y

temas termodinámicos.Por último, hay que considerar cómo estas tecnologías se pueden implementar

en el primer lugar.

Estos subsistemas y los problemas de diseño se describen y analizan en detalle cuantitativo

de nanosistemas. Capítulo 14 se basa en estos análisis para describir un sistema de fabricación de

referencia con las siguientes propiedades:

•masa <1 kg (con un diseño menos fuerte que lo ha propuesto la figura anterior)

•volumen de ~ 50 litros

•entrada de materia prima 2,5 kg / h (principalmente acetona, el oxígeno del aire)

•salida de calor residual 1,3 kW (refrigerado por aire)

•salida de energía excedente 3,3 kW (de la oxidación de los excedentes de hidrógeno)

•salida de material de desecho 1.5 kg / hr (principalmente agua)

•salida del producto 1 kg / hr (principalmente de diamante)

Tenga en cuenta que esta tasa es mucho menor que lo que un análisis de escalamiento sencillo de

reunión submicras podría sugerir - como debe ser, porque las piezas de mayor tamaño, de menor

frecuencia forman gran parte del sistema. También es considerablemente más lento que las tasas

permitidas por más recientes montaje convergente conceptos. Un nuevo análisis basado en estos

conceptos más recientes describiría sistemas sustancialmente más rápidos con los límites establecidos

principalmente por limitaciones de refrigeración.

Fábricas moleculares pueden realizar pasos de montaje repetitivas utilizando mecanismos simples y eficientesEn los procesos de fabricación convencionales, la producción de un

gran número de partes idénticas se realiza típicamente por,

maquinaria especializada de alto rendimiento. La fabricación

molecular puede seguir el mismo patrón.

Esta ilustración esquemática muestra un molino molecular de realizar una serie de operaciones de

deposición de hidrógeno.Una cinta que transporta las piezas moleculares viaja de izquierda a derecha

en la parte inferior. Una segunda cinta que transporta las herramientas moleculares entra en la parte

superior izquierda, en círculos alrededor de un cojinete de rueda, y sale por la parte superior

derecha. (Detalle atómico en las partes mecánicas es suprimida por razones de simplicidad y claridad.)

Cada herramienta entra llevar un átomo de hidrógeno (blanco) unido a germanio (púrpura); cada pieza

de trabajo entra con un carbono hacia arriba-hacia radical (verde).

En el punto de contacto, con la ayuda de la presión y la vibración térmica, las transferencias de

hidrógeno desde el germanio a la de carbono, formando un enlace fuerte. En términos químicos, los

radicales de carbono resúmenes del hidrógeno débilmente unida de la herramienta, en términos

operativos, la herramienta depósitosdel hidrógeno en la pieza. Abstracción hidrógeno es una reacción

simple, bien entendida.

Fábricas moleculares basados en los sistemas mecánicos más elaborados pueden sostener las

herramientas y piezas de trabajo en conjunto por más tiempo y se mueven en patrones más

complejos. Sistemas de fábricas moleculares pueden regenerar herramientas utilizando fragmentos

moleculares derivados de moléculas de materias primas simples ( por ejemplo, la recarga de una

herramienta con hidrógeno). En una escala mayor, los molinos moleculares pueden reunir y unir

bloques moleculares a nanoescala (tan grande o más grande que la pieza de trabajo que se muestra

aquí) para formar bloques de construcción aún más grandes - molinos pueden servir como los

mecanismos de ensamblaje más pequeña escala en un montaje convergente sistema.Molinos moleculares pueden ser extremadamente productiva. Un sistema mecánico química utilizando cintas transportadoras a 1 m / s con las herramientas espaciadas 10 nm de distancia realizará 10 8 operaciones por segundo. A 10 4 mecanismo átomo (alrededor de 100 nm 3 de sólida estructura) que las transferencias ~ 1 átomo por operación procesará su propia masa en ~ 10 -4 s. Un sistema basado en este tipo de mecanismos que realiza 10 operaciones por transferencia neta de un átomo (para permitir la regeneración de herramientas) procesará su propia masa en ~ 10 -3 s.

La investigación en todo el mundo está avanzando a lo largo de varias rutas hacia la fabricación molecularSistemas de fabricación moleculares avanzados se pueden construir a partir de piezas y materiales que

no se pueden realizar en el laboratorio hoy. Sería inútil tratar de construir con ellos directamente, sin

embargo, muchas áreas de investigación están ayudando a desarrollar herramientas que eventualmente

harán molecular fabricación de una realidad.

Por el lado de proceso, la clave para la fabricación molecular va a utilizar el control de posicionamiento

molecular para construir estructuras moleculares. Instrumentos de sonda de barrido ( STM , AFM ) se

han utilizado para mover las moléculas individuales, y para dividir y combinar ellos. Los catalizadores

de la química orgánica y de las enzimas en la bioquímica guían los movimientos moleculares de una

manera limitada, y ambos son hoy objetivos activos para un mayor desarrollo.

En cuanto al producto, la clave para la fabricación molecular será mejorar las capacidades para

construir bloques de construcción de precisión atómica, entonces la construcción de sistemas

nanomecánicos por unión de ellos utilizando sondas de barrido o movimiento browniano. Numerosos

grupos de investigación de todo el mundo están trabajando para ampliar esta capacidad mediante el

diseño y síntesis de nuevas estructuras construidas a partir de moléculas orgánicas, proteínas y ácidos

nucleicos. Los informes de nuevas máquinas moleculares artificiales en los últimos años convertido en

rutina.

La mayoría de estos investigadores de laboratorio están persiguiendo meta a corto plazo que la

fabricación molecular - objetivos como catalizadores para procesos químicos más limpio, más eficiente,

marcos moleculares que podrían trabajar con dispositivos electrónicos moleculares, o moléculas útiles

en terapias médicas. La historia, sin embargo, muestra que la investigación a menudo tiene

consecuencias imprevistas, como una consecuencia natural de la mejora de las habilidades en las

tecnologías químicas y nanoescala será el surgimiento de una base de la tecnología que se puede utilizar

para implementar las máquinas necesarias para los sistemas de fabricación moleculares cada vez más

avanzadas.

La fabricación molecular se basa en las fábricas, no en pequeñas máquinas autorreplicantesEl desarrollo de la fabricación molecular plantea el problema de comenzar con dispositivos muy

pequeños y utilizarlos para construir otros más grandes, con el tiempo la construcción de nanofactories

escala escritorio. La idea inicial de cómo hacer esto biología imitando involucrados: Sabemos que una

sola célula auto-replicante puede convertirse en un árbol de madera roja, que muestra que la auto-

replicación proporciona una manera de aumentar la escala de los sistemas de pequeños a grandes. Una

máquina de auto-replicantes genuino, sin embargo, tiene una complejidad innecesaria. Se tendría que

contener, en un solo paquete, todas las herramientas y la información necesaria para construir algo

como la misma - y más, si se trata de construir algo más que es útil.

Como era de esperar, las propuestas prácticas para desarrollar nanofactories han evitado esa

complejidad. Incluso los enfoques que los investigadores han descrito en términos de "autorreplicación"

suelen utilizar dispositivos que no son más que herramientas bajo control externo. Partes esenciales del

sistema están fuera, y no replicar. Dado que estos dispositivos carecen de una descripción interna de

cómo construir cosas - ya sea como ellos mismos, o diferentes - que son muy diferente a todo lo vivo (y,

por naturaleza, no pueden ser autónomos).

En el mundo macroscópico, utilizamos máquinas para preparar materiales, para hacer piezas y

componentes montados. En general, utilizamos las máquinas de la construcción de una amplia gama de

productos, incluyendo más máquinas útiles para la producción - pero ninguna es auto-

replicantes. Nanomáquinas se pueden utilizar de la misma manera, por lo que una amplia gama de

productos, incluyendo piezas que se pueden encajar juntos para hacer más nanofactories.

La ciencia y la ingeniería, a pesar de su estrecha relación, difieren fundamentalmente

Ciencia e ingeniería de ambos se relacionan modelos descriptivos de

los sistemas físicos, a veces se trabaja con modelos descriptivos

similares y sistemas físicos similares. Además, la ciencia y la ingeniería son, en la práctica, a menudo

entremezclados, y el uso popular a menudo atribuye a los científicos de los logros de los ingenieros (hay

muchos ingenieros de cohetes, pero ningún científico del cohete).No obstante, la ciencia y la ingeniería

difieren radicalmente en su naturaleza fundamental. La comprensión de esta diferencia es esencial si se

quiere formar una idea clara de la relación entre los conocimientos actuales y futuras posibilidades

tecnológicas, tanto en ingeniería de sistemas moleculares o en otro lugar.

¿De qué manera la ciencia y la ingeniería se diferencian? En cierto sentido, apuntan en direcciones

opuestas: La ciencia empieza con un sistema físico y busca desarrollar un modelo descriptivo - una

teoría científica. Ingeniería comienza con un modelo descriptivo - un diseño de ingeniería - y busca

desarrollar un sistema físico. En esto, son opuestos, ya partir de este flujo de diferencias profundas en el

pensamiento y objetivos.

Considere cómo los científicos y los ingenieros eligen sus objetivos. Un científico se centra en lo que aún

no se entiende, y lo estudia. Un ingeniero se centra en lo que ya se entiende, y construye con ella. Los

científicos buscan sistemas simples que desafían su comprensión; ingenieros buscan construir para

construir sistemas de desafiar complejidad utilizando componentes comprensibles. Cuando un

científico puede contemplar la física del estado sólido y tratar de desentrañar los misterios de los

fenómenos de electrones correlacionados, un ingeniero utilizará los principios establecidos de la física

de estado sólido para describir el comportamiento de un conjunto de diseños fiables para cables,

transistores y capacitores. Un científico puede descubrir fenómenos que permiten la creación de un

nuevo dispositivo tipo transistor, un ingeniero puede descubrir cómo organizar un millón de

transistores en un nuevo sistema de procesamiento de información.

El mundo molecular ha sido la provincia de científicos. Su conocimiento proporciona una guía esencial,

y los esfuerzos de ingeniería en el mundo molecular planteará preguntas que estimulan aún más el

estudio científico. Ya sea que la gente que hace el trabajo llaman a sí mismos "científicos" o "ingenieros"

es de poca importancia.Independientemente de las etiquetas, los avances en la ingeniería de sistemas

moleculares, como la de otros campos de la tecnología, será necesario un enfoque de ingeniería.

Sistemas de máquinas moleculares son un objetivo estratégico en el desarrollo de nanosistemas moleculares avanzadasSistemas de máquinas moleculares son singularmente importantes para el futuro de la

nanotecnología. Otros productos de la nanotecnología - electrónica, sensores, pantallas, materiales -

tienen un gran valor, pero ninguno de estos productos es en sí útil para hacer el trabajo de la

producción. Sistemas de máquinas moleculares, por el contrario, pueden ser utilizados para construir

cosas - no sólo la electrónica, sensores, pantallas, materiales, sino los sistemas de máquinas moleculares

más y mejor. Las máquinas pueden ser algo más que meros productos, pueden ser productos

productivos, útiles en la producción de más y mejores herramientas productivas.

Desde la revolución industrial hacia adelante, las máquinas han sido utilizados para hacer una amplia

gama de productos, incluyendo más y mejores máquinas. Los descubrimientos del siglo XX en la

biología molecular reveló que la vida misma se basa en las máquinas moleculares productivos. Debe fue

ninguna sorpresa que estas máquinas moleculares se pueden utilizarse para fabricar una amplia gama

de productos moleculares, incluyendo más y mejores máquinas moleculares.

¿Por qué son importantes las máquinas para la producción? Hacer productos complejos típicamente

requiere poner las piezas juntas en complejos patrones tridimensionales - para alcanzar los objetivos de

la nanotecnología avanzada, esto significa poner las piezas moleculares junto con precisión

atómica. Para poner las moléculas entre sí para formar estructuras complejas, hay que diseñar bien las

moléculas que permanecer juntos en formas precisas de forma espontánea (vía asamblea browniano), o

ponerlos juntos utilizando máquinas. En el mundo macroscópico, utilizamos máquinas para poner las

piezas juntas, y los estudios indican que las ventajas de hacerlo se traspasan al mundo

molecular. Electrónica, sensores, pantallas y material, en cambio, no pueden hacer directamente nada.

Existen hoy en día las máquinas moleculares programables, en la biología. Aprender a usar e imitar

estas máquinas es un objetivo estratégico clave en el camino hacia el desarrollo de nuevas formas de

maquinaria molecular productivo.

Selección de publicaciones de la ingeniería de estructuras de precisión atómica a partir de materiales biomolecularesUna bibliografía anotada de publicaciones que describen métodos para la construcción de estructuras

atómicamente precisos a escala nanométrica mediante síntesis química y biológica.

Publicaciones (con fecha, autor y tema):

(1981 Drexler) Ingeniería de proteínas como un camino hacia las nanotecnologías avanzadas

(1983 Pabo) el diseño de proteínas de visión como "plegado inverso"

(1988 Regan y DeGrado) Un primer éxito en novo diseño de proteínas

(1989 Noren et al. ) Nuevos bloques de construcción para la ingeniería de proteínas

(1990 Hecht et al. ) de novo diseño de una proteína similar a la nativa

(1994 Drexler) Estrategias de aplicación para nanomáquinas moleculares: ingeniería de proteínas y

la manipulación molecular basada en AFM

(1997 Dahiyat y Mayo) De novo diseño de proteínas mediante la selección de secuencia totalmente

automatizado

(1997 DeGrado) Comentario: "Un año excepcional para de novo diseño de proteínas "

(1998 Benner et al. ) Nuevos bloques de construcción para la ingeniería de ácido nucleico

(1998 Seeman) Examen de la nanotecnología de ADN

(2002 Seeman) nanoestructuras de construcción mediante la emulación de la biología

(2003 Alberti y Mergny) Un nano máquina basada en el ADN

(2003 Kuhlman) En primer diseño de una proteína con una nueva topología de red troncal

(2003 Seeman) nanotecnología estructural de ADN para la nanoelectrónica, nanorobótica y

materiales inteligentes

(2004 Shih et al. ) Diseño y síntesis de un octaedro ADN rígido

(1994 Drexler) Estrategias de aplicación para nanomáquinas moleculares: ingeniería de proteínas y la manipulación molecular basada en AFM"El objetivo de la construcción de sistemas de máquinas moleculares artificiales capaces de realizar

mecanosíntesis está más allá del alcance inmediato de las actuales técnicas de laboratorio. No obstante,

estos sistemas ya se pueden modelar con gran detalle, y las técnicas actuales permiten pasos hacia su

implementación.

"Los sistemas de Mechanosynthetic confiarán en posicionamiento mecánico para guiar y controlar las

interacciones moleculares de la síntesis química. La concentración eficaz de una especie posicionado

mecánicamente depende de la temperatura y de la rigidez del sistema de posicionamiento. Estas

concentraciones pueden ser grandes (> 100 M) y localizada en una escala molecular. Las

concentraciones de fondo pueden aproximarse a cero, lo que permite el control molecular precisa de los

lugares y secuencias de operaciones sintéticas. Los investigadores han desarrollado conceptos para

sistemas mechanosynthetic y definido los requisitos generales de la tecnología. Un enfoque para la

fabricación de sistemas de máquina molecular es el desarrollo de dispositivos basados

mechanosynthetic-AFM.Estos serían posicionar moléculas [nota: no son "átomos"] por ellos unirse a

(por ejemplo) los fragmentos de anticuerpos unidos a una punta de AFM. Desarrollo de monómeros

adecuados, sitios de unión, y secuencias de reacción sería entonces una base para la fabricación de

estructuras mecánicas complejas.

"Sistemas de máquinas moleculares biológicas se basan en el auto-ensamblaje de polímeros

cruzados. Una revisión de los avances en la ingeniería de proteínas sugiere que tenemos los medios para

diseñar y sintetizar moléculas similares a proteínas con estructuras bien definidas y excelente

estabilidad. El éxito en este esfuerzo constituye una base para el diseño de sistemas de auto-montaje, y

la experiencia con el diseño y montaje supramolecular de moléculas más pequeñas es alentador con

respecto al éxito de esta nueva etapa.

"Desarrollo de una tecnología de máquina molecular promete una amplia gama de

aplicaciones. Máquinas moleculares biológicas sintetizan proteínas, leer el ADN, y el sentido de una

amplia gama de fenómenos moleculares. Sistemas de máquinas moleculares artificiales

presumiblemente podrían desarrollarse para realizar tareas análogas, pero con estructuras más estables

y diferentes resultados (por ejemplo, la lectura de secuencias de ADN en una memoria de ordenador

convencional, en lugar de la transcripción de ellos en el ARN). Estructuras de autoensamblaje son

considerados por muchos como una clave para los sistemas electrónicos moleculares, que, por tanto,

comparten una tecnología que permite a los sistemas de máquinas moleculares.Por último, los estudios

sugieren que el uso de sistemas de máquinas moleculares para realizar mecanosíntesis de diversas

estructuras (incluyendo sistemas de máquinas moleculares adicionales) permitirá el desarrollo y la

producción de bajo costo de una amplia gama de nuevos instrumentos y productos. La investigación de

laboratorio dirigido hacia este objetivo parece justificado ".

(2003 Alberti y Mergny) Un nano máquina basada en el ADNDescribe una nano máquina basada en el ADN que es capaz de un 5 nm, de dos tiempos, el movimiento

lineal utilizando secuencias de ADN como "combustible".

ADN intercambio dúplex-quadruplex como la base para una máquina Nanomolecular

1. Patrizia Alberti y

2. Jean-Louis Mergny *

Afiliaciones de los autores

1. Editado por Jean-Marie Lehn P., Universidad Louis Pasteur de Estrasburgo, Francia, y aprobada el 4 de

diciembre de 2002 (recibido para revisión 09 de septiembre 2002)

Siguiente sección

AbstractoEn la actualidad existe un gran interés en el diseño de nanodispositivos que son capaces

de realizar movimientos lineales o rotativos. Máquinas moleculares de proteínas son

abundantes en la biología, pero se ha propuesto recientemente que los ácidos nucleicos

también pueden actuar como máquinas nanomoleculares en sistemas modelo. Existen

varios tipos de movimientos se han descrito con máquinas de ADN: la rotación y apertura

"tijera" y el cierre. Aquí se muestra una nano máquina que es capaz de un movimiento de

extensión-contracción. El dispositivo simple y robusto descrito aquí se compone de un

único oligonucleótido 21-base y se basa en un equilibrio dúplex-quadruplex que puede ser

alimentado por la adición secuencial de cadenas simples de ADN, la generación de un

dúplex de ADN como un subproducto.La interconversión entre dos estados topológicos

bien definidos induce a 5 nm de dos tiempos, el movimiento de tipo motor lineal, que es

detectado por espectroscopia de transferencia de energía de resonancia de fluorescencia.

•máquina molecular ‖ ‖ FRET estructura del ADN ‖ G-cuarteto

Una máquina-nivel molecular puede definirse como un conjunto de un número de

moléculas que están diseñados para llevar a cabo los movimientos ( 1 ). Autoensamblaje

molecular es una ruta importante hacia la construcción de dispositivos de nivel molecular

artificiales ( 2 ). Estos dispositivos se caracterizan por la fuente de energía, la naturaleza

del movimiento, la forma en que se puede controlar, su repetibilidad, su propósito, y la

escala de tiempo de los cambios conformacionales a escala nanométrica. Aunque las

máquinas de proteínas son abundantes ( 3 ), un componente atractivo para el

reconocimiento molecular es ADN, debido a sus propiedades de autoensamblaje

( 4 , 5 ). Objetos moleculares complejas ( 6 ) o los cuasicristales pueden construirse a partir

de dobles hélices simples. Sin embargo, el ADN es propenso a polimorfismo estructural

( 7 ), potencialmente la expansión del repertorio de nanoestructuras que se pueden formar

con este ácido nucleico. Entre estas estructuras de ADN inusuales, G-quadruplex son de

especial interés debido a que tienen conformaciones bien definidos, son relativamente

estables en condiciones fisiológicas, son altamente polimórficos, y es probable que formar

estructuras de orden superior, tales como alambres de T ( 8 - 11 ). Ellos también pueden

estar involucrados en la estructura de los telómeros de ADN ( 12 - 14 ) y la inhibición de la

telomerasa ( 15 ).

Un movimiento puede ser el resultado de un equilibrio reversible entre dos estados

conformacionales.Varios tipos de movimientos se han descrito con máquinas de ADN:

rotación ( 4 , 16 ) y la apertura "tijeras-como" y cierre ( 5 ). La transición entre estos dos

estados puede ser inducida por un cambio en las condiciones experimentales o mediante

la adición de un "combustible de ADN" (refs. 5 y 16 ; ver Nota ) que proporciona la fuente

de energía para este cambio. Un cambio en la composición del tampón o la temperatura

puede conducir a una transición en la quiralidad de una doble hélice, que a su vez puede

inducir un movimiento ( 4 ). Aunque recientemente se han propuesto otros dispositivos

químicos dinámicos que se someten a modificaciones estructurales análogos ( 17 ), que no

son a base de ácido nucleico y utilizan un estímulo químico totalmente diferente como un

propelente. El sistema que se presenta aquí tiene una gran amplitud de movimiento,

puede ser fácilmente seguida por fluorescencia, y es ADN codificada. El principio de

funcionamiento se ilustra en la figura. 1 Una y corresponde a un ciclo simple de dos etapas,

con dos puntos finales estructuralmente definidos. Además, nuestro dispositivo

nanomecánicos es "robusto" en el sentido definido por Seeman et al. ( 16 ), ya que oscila

entre dos estados conformacionales bien definidos.

Figura 1Presentación del sistema. ( A ) El cambio entre

un quadruplex intramolecular (izquierda) y un

dúplex (a la derecha). Un cuádruplex

intramolecular se forma por el plegado de un

oligonucleótido 21-base que contiene cuatro

bloques de tres guaninas que imitan el motivo

telomérico de vertebrado. La topología

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esquemática propuesto aquí corresponde a la de Na + estructura de la solución

( 19 ). El K + motivo llevaría también a una distancia muy similar 5'-3 '( 18 ). Los

grupos tetrametilrodamina 5 'con fluoresceína y 3' están representados por

triángulos verde y naranja, respectivamente. El capítulo C-combustible es

complementaria a la secuencia F21T, con seis bases adicionales que permiten la

nucleación dúplex con la hebra G-combustible. ( B ) el movimiento

inducido. Dethreading / repaso de roscas del dispositivo de ADN es una

reminiscencia del movimiento de un pistón en un cilindro. ADN de doble cadena tiene

una longitud de persistencia de 100 pb o más ( 33 ), lo que indica que un dúplex de

21 pb debería comportarse como una varilla rígida.

Plegamiento intramolecular de un oligonucleótido guanina-rica en una intramolecular G-

quadruplex conduce a una estructura compacta estabilizado por

monocations. Recientemente se ha demostrado que el cuádruplex telomérica a base de

potasio ( 18 ) puede ser muy diferente de la estructura telomérica de sodio estabilizado

( 19 ). Sin embargo, ambas estructuras son relativamente compacto en comparación con

un dúplex de ADN que contiene el mismo número de pares de bases. Las diferentes

conformaciones se pueden detectar mediante transferencia de energía de resonancia de

fluorescencia espectroscopia (FRET).FRET ha dado información valiosa sobre la estructura

de los ácidos nucleicos, debido a su distancia y orientación de la dependencia. En este

caso, se usa un colorante de extinción para supervisar el estado de la máquina, usando

fluoresceína como donante y tetrametilrodamina como aceptor, unido covalentemente al

extremo 5 'y 3' de la ADN, respectivamente ( 20 ). Plegable del oligonucleótido fue

confirmada por absorción de UV, de fusión UV, y experimentos de dicroísmo circular

( 20 ). La sensibilidad y la respuesta dinámica de la espectroscopia de fluorescencia

permite la monitorización de plegamiento intramolecular en un amplio intervalo de

concentraciones de [abajo a 100 pM ( 21 )], y la presencia de incluso un gran exceso de

ADN de combustible no fluorescente no interferir con las mediciones de FRET. En

experimentos anteriores, una sola hebra cuádruplex de equilibrio fue seguido por este

método ( 20 ). En este manuscrito, estamos interesados en un equilibrio entre un dúplex

intermolecular y un quadruplex intramolecular. El evento de conmutación debe conducir a

un desplazamiento atómico de ≈ 5 nm que se demuestra fácilmente por FRET (Fig. 1 B ).

Sección anterior Sección siguiente

MétodosLos oligonucleótidos. Todos los oligonucleótidos y sus conjugados fluorescentes se sintetizaron y se purificaron

por Eurogentec, Bruselas, a excepción de la 24 base, rico en G oligonucleótido (24Gmor)

morfolino (Gene Herramientas, Philomath, OR). Las secuencias primarias y los nombres de

los oligonucleótidos fluorescentes se dan en la figura. 2 .

La figura 2Secuencia de los oligonucleótidos utilizados en

este estudio. Los nombres se dan en la parte

derecha. ( Top ) G-quadruplex oligonucleótido

formando. F, fluoresceína, T,

tetrametilrodamina. El saliente 3 '(6-12 bases

de largo) presente en los hilos C-combustible se

muestra con letras minúsculas. Bases

coincidentes (con respecto al oligonucleótido

F21T) están subrayadas y en negrita.El saliente 5 'en la hebra G-combustible se

muestra con letras minúsculas. Para el control de oligonucleótidos 24Gmut, esta

proyección no es complementaria a la de los últimos seis bases de la cadena C-

combustible y, por tanto, se presenta con letras subrayadas y en negrita.

Absorción UV.

Los espectros se obtuvieron como se describe ( 21 ). Un tema importante en estos

experimentos es la estequiometría entre los distintos capítulos. Un pequeño error en la

concentración de C-o hebra G-combustible llevaría a la acumulación de las especies de

cadena sencilla no deseados que envenenar la máquina, como ya se ha observado

( 5 ). Incluso con la ayuda de los coeficientes de extinción del vecino más cercano ( 22 ),

es relativamente difícil de medir la concentración de cadena de ADN con> 10% de

precisión. Esta incertidumbre puede ser parcialmente aliviado mediante la realización de

curvas de titulación isotérmica o parcelas de empleo (es decir, usando el método de

variación continua) con dos cadenas complementarias para evaluar relaciones molares

precisas entre las dos hebras de un dúplex.

Curvas de fusión UV.

Formación y la estabilidad de los diferentes dúplex y quadruplexes se estimaron por

experimentos de fusión UV, el registro de la absorbancia a 245, 295, o 260 nm en función

de la temperatura en un Uvikon (Kontron, Zurich) espectrofotómetro.

Estudios de fluorescencia.

Los espectros se obtuvieron como se describe ( 21 ).

Sección anterior Sección siguiente

ResultadosQuadruplex Formación.

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F21T es un oligonucleótido 21-base que imita las repeticiones teloméricas vertebrados y

contiene cuatro bloques de tres guaninas. La fluoresceína y la rodamina se unen

covalentemente al extremo 5 'y 3', respectivamente. Formación de la cuádruplex F21T se

demostró por primera vez por absorbancia UV ( 23 ) y de fluorescencia ( 20 )

desnaturalización térmica. Plegamiento intramolecular se confirmó por la independencia

de la concentración de la temperatura de fusión, que se determinó que era 33, 44, y 57 °

C en 0,1 M de LiCl, NaCl, KCl y, respectivamente (no se muestra). Como se esperaba ( 14 ),

la naturaleza de la monocatión determina la estabilidad de la cuádruplex (K + > Na + >

Li+ ). Estos valores son ligeramente inferiores a las temperaturas de fusión de la no

modificada 21-D de base (GGGTTA) 3 GGG oligonucleótido, que muestra que la unión de

grupos fluorescentes en ambos extremos del oligonucleótido desestabiliza ligeramente la

estabilidad de la cuádruplex. A partir de estos perfiles de fusión, se puede deducir que

quadruplexes son los dominantes (ya menudo los exclusivos) especies en la mayoría de las

condiciones experimentales probadas, excepto a temperaturas> 37 ° C en 0,1 M LiCl. Por

ejemplo, es posible determinar la energía libre de Gibb (Delta G °) de la formación de

cuádruplex a 37 ° C en 0,1 M de KCl para el oligómero F21T ( 20 ): este valor es negativo (-

3,8 kcal ⋅ mol -1 ), lo que indica que, en ausencia de una hebra de combustible del (>

99%) estado conformacional preferido es la conformación plegada.

Quadruplex-a-Duplex de transición: la "apertura" Step. A partir de un cuádruplex plegada, los dos 5 'y 3' extremos flexibles de este dispositivo

pueden ser empujadas aparte por hibridación con la cadena complementaria, llamado el

capítulo C-combustible (fig. 1 A , parte superior del ciclo). El punto importante de este

estudio fue determinar si una hebra complementaria telomérica citosina-rica podría

interrumpir un quadruplex preformado e hibridar con su cadena complementaria en

diversas condiciones experimentales.Esta hipótesis se puso a prueba a cuatro

temperaturas diferentes en un pH 7,2 tampón de cacodilato de sodio complementado con

diferentes tipos de monocations. La formación del dúplex se siguió utilizando la emisión de

la fluoresceína grupo de F21T como un marcador de la formación-quadruplex dúplex. En la

forma de dúplex, la emisión a 520 nm es de siete a nueve veces más que en la forma

quadruplex intramolecular debido al gran aumento de la distancia entre el donador de

fluorescencia y grupos aceptores. . Fig. 3 presenta los resultados experimentales en la

presencia de 0,1 M de litio ( Medio Izquierda ), sodio ( Medio Derecha ), o cloruro de potasio

( Bottom ). En litio, en adición de d (CCCTAA) 3CCC al oligonucleótido cuádruplex, la

formación de dúplex es rápido; hay que señalar que a 37 y 45 ° C, el oligonucleótido de

partida no es totalmente plegada en una cuádruplex, por lo que la formación de dúplex

fácil, porque no hay estructura secundaria necesita ser alterado para que se produzca la

hibridación. Este resultado está de acuerdo con los estudios de fusión UV anteriores que

mostraron que la repetición telomérica humana no formó una estructura estable en la

presencia de litio ( 23 ). En contraste, en presencia de sodio o de potasio, el

oligonucleótido F21T fue totalmente plegada a todas las temperaturas (4-45 ° C) antes de

la adición de C-combustible. Se llegó a la adición de C-combustible inducida por un gran

aumento en la emisión de fluorescencia a 520 nm, y una meseta después de 1 h en

potasio a 37 ° C.La formación dúplex fue significativamente más rápida en sodio que en

potasio, como resultado probable de un cuádruplex más estable formado con este último

de iones.

Figura 3El paso de la apertura. ( Arriba ) El principio del

experimento. Conversión de-quadruplex-a

dúplex se monitoriza por un aumento en la

emisión de fluorescencia a 520 nm. Los grupos

tetrametilrodamina 5 'con fluoresceína y 3'

están representados por triángulos verde y

naranja, respectivamente. ( Medio y Abajo )

Efecto de la temperatura sobre la conversión-

quadruplex a doble cara. Todos los

experimentos se realizaron a cuatro

temperaturas diferentes en un 7,2 tampón 10

mM de cacodilato de sodio pH que contiene 0,1

M LiCl (Medio Izquierda ), NaCl 0,1 M ( Medio

Derecha ) o 0,1 M KCl ( Bottom ). La estructura de

partida predominante ( t= 0 s) antes C-combustible hebra Además es siempre una

cuádruplex intramolecular, excepto en 45 ° C en la presencia de Li + , donde F21T es

principalmente monocatenario.

Estos resultados indican que, en las concentraciones de oligonucleótidos elegidos (en el

rango de M), el dúplex es la especie termodinámicamente favorecidas y que el plegado del

oligonucleótido F21T en una retrasos quadruplex, pero no impide, la formación de un

dúplex de Watson-Crick ( 24 ). A una conclusión similar se llegó en el caso de otras

secuencias de ADN o cuádruples con PNA (ácidos nucleicos peptídicos;. Ref. 25 )

secuencias complementarias. El aumento de la estabilidad del dúplex, en comparación con

el cuádruplex se confirmó por análisis UV punto de fusión de los dúplex F21T/C-fuel bajo

una variedad de condiciones (no se muestra). En contraste con el caso cuádruplex, la

naturaleza de la monocatión juega un papel poco, si alguno, en la estabilidad del dúplex.

Promover la apertura quadruplex, un 21-base d (CCCTAA) 3 CCC oligonucleótido es

suficiente. Sin embargo, el paso de reversión requiere un C-combustible longitud de

cadena más larga, para iniciar la formación de dúplex C-fuel/G-fuel en un saliente

monocatenario (ver más abajo). Eso, hemos analizado la apertura quadruplex F21T por

largas hebras C-combustible, que contienen 6, 9, o 12 extrabases en su extremo 3 '. La

presencia de un 6 - a 12-voladizo de base no impide la formación de dúplex F21T/C-fuel y

no altera significativamente la cinética de-cuádruplex-a dúplex de conversión (datos no

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mostrados).

Hemos investigado si la próxima ligandos-quadruplex específica podrían envenenar a la

etapa de apertura.Cuando se añade a un cuádruplex preformado, un ligando cuádruplex

(BISA) es capaz de inhibir parcialmente la formación de dúplex ( 26 ). En contraste, la

adición de una molécula inactiva [Mono A ( 26 )] para el G-quadruplex antes de 21C

Además tiene poco efecto, si lo hay, en la formación de dúplex. Esto es probable que sea

el resultado de la mayor afinidad de Bisa hacia G-quadruplex que bloquea el

oligonucleótido F21T en una conformación que ya no es reconocido por la cadena

complementaria ( 26 ).Por lo tanto, el buen funcionamiento del dispositivo puede ser

alterado por ligandos de ADN específicos de la estructura.

Duplex-a-Quadruplex Transición: El "cierre" Step. Ahora estamos interesados en la segunda parte del ciclo de la máquina, que consiste en la

reacción inversa, a partir de la dúplex C-fuel/F21T y la liberación de la hebra F21T,

permitiendo reforma cuádruplex intramolecular. El dúplex montada podrá reabrir con otra

cadena de ADN llamado el filamento G-combustible. La desnaturalización isotérmica de los

dúplex F21T/C-fuel (parte inferior de la ciclo que se muestra en la figura. 1 Una ) implica el

desmontaje de un dúplex estable termodinámicamente. La destrucción de la interacción

no covalente entre las dos hebras (F21T y C-combustible) se puede obtener mediante la

formación de un termodinámicamente más estable C-fuel/G-fuel dúplex compiten.

Un 24G, que carece de los tres guaninas terminales (y por lo tanto es incapaz de formar un

cuádruplex intramolecular que compiten), fue probado inicialmente por su capacidad para

unirse a la cadena C-combustible. Se espera que la hibridación entre las hebras T-y C-de

combustible para iniciar primero en el expuesto voladizo de seis bases y proceder por

migración de la ramificación. Complementariedad de secuencia en esa región es

obligatoria, porque una hebra G-combustible mutado (24Gmut) no puede desarrollarse

correctamente el dúplex F21T/C-fuel (no mostrado). Sin embargo, el dúplex 27C/24G no es

más estable que el dúplex F21T/27C ( T m = 60 ° C). Desplazamiento completo de este

dúplex es, por tanto, poco probable, lo que provocó que utilicemos diferentes pares de

hilos C-fuel/G-fuel que debe favorecer el dúplex C-fuel/G-fuel el duplex F21T/C-fuel.

El aumento de la longitud del voladizo mediante el uso de oligonucleótidos más largos C-y

G-combustible debe conducir a la formación de un dúplex más tiempo (y más

estable). 30C/27G y 33C/30G híbridos tienen una temperatura de fusión más alto que el

dúplex F21T/C-fuel, sin embargo, se obtienen una cinética muy lenta de F21T/C-fuel

dúplex interrupción; el aumento de la longitud del voladizo de 9 o 12 bases hace no

acelerar este paso (datos no mostrados). A continuación, razonó que cualquier

modificación que estabiliza el dúplex G-fuel/C-fuel sin afectar a la estabilidad del dúplex

F21T/C-fuel facilitaría la etapa de cierre.Desafortunadamente, el uso de modificaciones

químicas en la hebra G-combustible [2'- O -grupos metilo, grupos morfolino, ácidos

nucleicos bloqueados (LNA), etc] no acelera la etapa de cierre (datos no mostrados).

Para acelerar esta etapa de cierre, se optó por introducir unas pocas bases coincidentes en

el dúplex F21T/C-fuel. El capítulo C-combustible 27Cm3C ya no es perfectamente

complementaria a la secuencia F21T. El dúplex correspondiente que implica tres

desajustes (de 21 pares de bases) todavía se puede formar, pero con una menor

estabilidad ( T m = 44 ° C en 100 mM de cacodilato KCl/10 mM, pH 7,2). Por otra parte, la

hebra G-combustible 24Gm3G es totalmente complementaria a la C-combustible hebra

27Cm3C, que conduce a un dúplex perfecto 24 pb. Como una ventaja adicional, la hebra

G-combustible ya no contiene varios bloques de guaninas y es poco probable para formar

un cuádruplex estable. La concentración de iones monovalentes se mantiene a 0,1 M y

diferentes concentraciones de los iones multivalentes son probados. De cierre eficiente de

la cuádruplex se obtuvo en ausencia de iones multivalentes, pero la presencia de 10-20

mM de MgCl 2 espermina o 0,2-0,5 mM mejoró significativamente la cinética (Fig. 4 A ). Por

tanto, todos los experimentos posteriores se realizaron en presencia de 20 mM de

MgCl 2 . Como se consideró asociación bimolecular, se verificó que el aumento de todas

las concentraciones de hebras dio lugar a una cinética de conmutación más rápidos

(Fig. 4 B ). Un aumento de 10 veces en las concentraciones de los tres capítulos diferentes

tenía un impacto significativo en la apertura y el cierre de los pasos. En la concentración

más alta probada hebra (2, 2,5, y 2,5 M durante F21T, C-combustible, y el G-combustible,

respectivamente), una conmutación de medio tiempo <5 s podrían estimarse para el

cierre, en comparación con 20 s de apertura. Como era de esperar de un fenómeno

bimolecular, al cambiar al estado cerrado fue ≈ 10 veces más lento en concentraciones

inferiores de cadena (0,2, 0,25, y 0,25 M).

Figura 4Optimización del dispositivo. ( A ) Efecto de

magnesio. Se presenta sólo un ciclo. La etapa

de cierre es mucho más rápido en presencia

(línea continua) que en ausencia (línea

discontinua) de 20 mM de MgCl 2 . El

experimento se realizó a 37 ° C en un cacodilato

de sodio 100 mM de NaCl/10 mM (pH 7,2)

tampón. Concentraciones F21T, 33C, 30G y

oligonucleótidos eran 0,2, 0,25, y 0,25 M, respectivamente. ( B ) la dependencia de la

concentración. Todos los experimentos se realizaron a 45 ° C en un 20 mM de

MgCl 2 cacodilato / 100 mM de KCl/10 mM de sodio (pH 7,2) tampón. En la línea de

puntos, las concentraciones para F21T, C-combustible (3'-

TGCAATGCCAATCGCAATCGCAATCCC-5 '27Cm3C), y G-combustible (5'-

ACGTTACGGTTAGCGTTAGCGTTA-3' 24Gm3G) son 0,2, 0,25, y 0,25 M,

respectivamente. La línea completa presenta un experimento similar con un

aumento de 10 veces en todas las concentraciones de oligonucleótidos (intensidad

de fluorescencia normalizada).

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Ciclismo Dispositivo. El dispositivo descrito aquí oscila entre dos estados bien definidos, un quadruplex

intramolecular plegada y un dúplex intermolecular. Cada ciclo dispositivo conduce a la

creación de un único dúplex de 24 pb como un "producto de desecho." La pérdida de

eficacia del pedaleo debido a la acumulación del producto de desecho dependerá de la

constante de equilibrio entre el cerrado y el estado abierto. Bajo las condiciones elegidas

(Fig. 5 A ), el estado cerrado está fuertemente favorecida y la acumulación del dúplex C-

fuel/G-fuel no obstaculiza el ciclo normal de la máquina durante al menos 11 ciclos

sucesivos, a condición de que el C- relación hebra de combustible / G-combustible es

controlada con precisión. Dado que las concentraciones de hebra se determinan por lo

general con un 10% o más incertidumbre, utilizando los coeficientes de extinción

calculados, es necesario preestablecer la equivalencia molar entre estos dos hebras por

perfiles de titulación-UV absorbancia preliminares. De lo contrario, la acumulación de un

ligero exceso de la C-o G-combustible hebra finalmente conduce a la intoxicación de la

máquina.

La figura 5Ciclismo dispositivo. ( A ) Con las hebras de

ADN.Mediante la adición de cantidades

estequiométricas, alternativamente, de la C-

combustible (27Cm3C; 2,5 M) y G-combustible

(24Gm3G; 2,5 M) hebras, F21T puede ser

abierto y cerrado varias veces (al menos 11

veces); para los propósitos de claridad, los

tiempos de adiciones C y G-combustibles están

indicados para un solo ciclo.Cada adición de los resultados de C-o filamento G-

combustible en una dilución de 0,5% de los reactivos, que se corrige

matemáticamente en este gráfico.Condiciones experimentales: mM KCl/20 100 mM

MgCl 2 / 10 cacodilato de sodio mM (pH 7,2) a 45 ° C. η, la eficacia del pedaleo medio

(pérdida de 3% por ciclo). ( B) Ciclismo con un oligonucleótido modificado. La hebra

G-combustible es un oligonucleótido modificado químicamente (morfolino, con una

columna vertebral neutral, sintetizado por Gene Herramientas). Se muestran nueve

ciclos sucesivos. A pesar de una cuidadosa evaluación de las concentraciones de

cada tira, cada ciclo sucesivo conduce a una pérdida significativa de la señal. El

experimento se realizó en un cacodilato de sodio 100 mM KCl/10 mM (pH 7,2)

tampón a 45 ° C (sin magnesio). Secuencias de oligonucleótidos se muestran en

la C .

El tiempo de conmutación para esta máquina puede ser modulada por un número de

factores, tales como la temperatura, la naturaleza de catión monovalente, la fuerza iónica,

la presencia de cationes divalentes, secuencia y modificación química de la hebra (s), y el

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capítulo de concentración. . Fig. 3 ilustra la importancia de que la etapa de apertura de la

temperatura y la naturaleza del ion monovalente. Es evidente a partir de estos perfiles,

para mantener una corta duración del ciclo, temperaturas altas (37-45 º C) se debe

utilizar. . Fig. 4 ilustra el efecto de la concentración: el uso de concentraciones Strand en el

rango micromolar conduce a la cinética aceptables. A partir de estos datos, y de la

comparación de diferentes secuencias de oligonucleótidos, es posible diseñar un sistema

experimental en el que la máquina tiene un ciclo relativamente rápido

(Figs. 4 y 5 ). Curiosamente, estas condiciones de fuerza iónica moderada (mM MgCl mM

KCl/20 cacodylate/100 de sodio 10 mM 2 ) y la temperatura suave (37 o 45 ° C) no son

muy distantes de las condiciones fisiológicas. Los oligonucleótidos de diferente química

(grupo morfolino) también se pueden utilizar, aliviando la necesidad de concentraciones

espermina alto contenido en magnesio o (Fig. 5 B ).

Sección anterior Sección siguiente

ConclusiónVarios informes sugieren que el ADN puede ser utilizado como un bloque de construcción

para los objetos de tamaño nanométrico nuevos ( 6 ), incluyendo cristales 2D ( 27 ), y

como el control de elementos en nanorobótica ( 28 ) y ordenadores de ADN ( 29 ). El ADN

es una molécula de excelente para el diseño de tales dispositivos, debido a sus

propiedades de reconocimiento específicos de secuencia y síntesis química fácil. En este

manuscrito, se presenta la construcción de una máquina de ADN en el que se utiliza ADN

tanto como un material estructural y como combustible. El movimiento de "lengua del

camaleón", interpretada por un tipo (s) de tal dispositivo (s) complementa los movimientos

de rotación y angulares realizadas por las máquinas basadas en el ADN previamente

descubiertos. El uso de un combustible de ADN permite el control preciso de

movimientos. La "distancia 5'-3 oscila entre 1,5 nm (cuádruplex) y 7 nm, con una fuerza

calculada de ≈ 8 PN. En muchos ejemplos, ambos extremos del dispositivo están

acoplados a colorantes fluorescentes para monitorizar las transiciones

conformacionales. Sin embargo, al menos un extremo del dispositivo puede estar

vinculado a otro componente orgánico o inorgánico, la adición de nuevas funcionalidades o

reactividades para ser útil en la biotecnología. Por ejemplo, el etiquetado biotina del G-rica

cadena telomérica no impide la formación de quadruplex o conversión dúplex después de

la adición de la cadena C-combustible (J.-LM, datos no publicados). Además, el motivo de

la secuencia telomérica elegido para estos experimentos puede ser sustituido por motivos

que forman otra quadruplex, la secuencia de restricción esencial es la presencia de cuatro

bloques de tres y cincuenta y ocho guaninas, es decir, Gun N x T una N y T un N z T un (con 2

≤ un ≤ 4, 3 ≤ x , y , z ≤ 6). Como resultado, longitudes variables del dúplex extendido se

pueden obtener, lo que lleva a dúplex involucran 17-42 pares de bases (véase

la Nota). Incluso los dispositivos más largos podrían ser diseñados con hebras que

contienen ocho o más repeticiones de guanina, con varios quadruplexes intramoleculares

de apilamiento en sí, formando estructuras de ADN de orden superior con poca dificultad

topológica ( 18 ). El reconocimiento específico de secuencia se puede lograr mediante

ADN-complementariedad codificada en los tres bucles variables y en la extensión 3 ', lo

que permite el control simultáneo y específica de diferentes dispositivos nanomecánicos

basado en G4. Cada oligonucleótido rico en G puede entonces ser dirigido individualmente

usando un par C-fuel/G-fuel específico. Este sistema podría ser utilizado para acercarse

alternativa o separar grupos químicamente reactivos ( 30 ), o para obtener un control

preciso de los movimientos en la escala nanométrica.

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AgradecimientosDamos las gracias a L. Lacroix, L. Guittat, PB Arimondo, T. Garestier y C. Hélène (MNHN,

París) útil para los debates. Este trabajo fue apoyado por el Institut National de la Santé et

de la Recherche Medicale, Centre National de la Recherche Scientifique, Asociación pour la

Recherche sur le cáncer de Grant 4321 (J.-LM), y una beca de investigación de Aventis

Pharma SA.

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NotaDespués de la presentación de este manuscrito, nos dimos cuenta de un reciente informe

de un equilibrio duplex-quadruplex basado en un motivo de secuencia diferente ( 31 ). Una

revisión muy reciente se resumen las conclusiones relativas a los dispositivos

nanomecánicos basados en ADN ( 32 ).

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Notas al pie• * ¿A quién debe dirigirse la correspondencia. E-mail: mergny@vnumail.com .

• Este documento fue presentado directamente (Track II) a la oficina de PNAS.

(2003 Seeman) nanotecnología estructural de ADN para la nanoelectrónica, nanorobótica y materiales inteligentes"Nanotecnología estructural de ADN consiste en la combinación de ADN motivos inusuales por

interacciones cohesivas estructuralmente bien definidos específicos (extremos pegajosos)

principalmente para producir materiales de blanco con estructuras 3D predecibles. Este esfuerzo ha

generado catenanos poliédricos de ADN, dispositivos nanomecánicos robustos, y una variedad de

matrices de periódicos en dos dimensiones. El sistema se ha utilizado para producir patrones

específicos en la mesoescala a través del diseño y la combinación de hebras de ADN específicas, que

luego son examinadas por microscopía de fuerza atómica. Se espera que la combinación de estas

construcciones con otros componentes químicos para contribuir al desarrollo de la nanoelectrónica,

nanorobótica, y materiales inteligentes.Las capacidades de la organización de la nanotecnología

estructural de ADN están comenzando a ser explorado, y se espera que el campo en última instancia a

ser capaces de organizar una gran variedad de especies que nos llevará a materiales interesantes y

posiblemente revolucionarias ".

Nadrian C. Seeman

Los campos Nanotecnología, CristalografíaInstituciones Universidad de Nueva YorkAlma máter Universidad de Chicago, la Universidad de PittsburghConocido por Nanotecnología de ADN

El MC Escher xilografía Profundidad(en la foto) inspiró Nadrian Seeman considerar el uso de celosías tridimensionales de ADN para orientar difíciles de cristalizar las moléculas. Esto dio lugar al inicio del campo de la nanotecnología de ADN .

Nadrian C. "Ned" Seeman (nacido el 16 de diciembre de 1945) es un americanonanotecnólogo y crystallographer conocido por inventar el campo de la nanotecnología de ADN . [ 1 ] [ 2 ]

Seeman estudió bioquímica en la Universidad de Chicago y cristalografía en laUniversidad de Pittsburgh . [ 3 ] Se convirtió en un miembro de la facultad en laUniversidad Estatal de Nueva York en Albany , y en 1988 se trasladó al Departamento de Química de la Universidad de Nueva York .

Él es más conocido por su desarrollo del concepto de nanotecnología de ADN a partir de principios de 1980. [ 1 ] En el otoño de 1980, mientras que en un bar del campus, Seemanfue inspirado por el MC Escher xilografía Profundidad darse cuenta de que una red tridimensional podría ser construido a partir de ADN. Se dio cuenta de que esto podría ser

utilizado para las moléculas objetivo orientar, lo que simplifica su estudio cristalográfico eliminando el difícil proceso de obtención de cristales puros.[ 4 ] [ 5 ] En la búsqueda de este objetivo, el laboratorio de Seeman publicó la síntesis de la primera escala nanométrica en tres dimensiones objeto, un cubo hecho de ADN, en 1991. Este trabajo ganó el 1995 Premio Feynman en Nanotecnología . [ 6 ]

Los conceptos de nanotecnología de ADN encontrados más tarde otras aplicaciones en computación con ADN , [ 7 ] nanorobótica ADN , y auto-ensamblaje de la nanoelectrónica . [ 8 ] Él compartió el Premio Kavli de Nanociencia de 2010 conDonald Eigler "por su desarrollo de métodos sin precedentes para controlar la materia en la nanoescala ". [ 8 ] [ 9 ] El objetivo de la demostración de cristales de ADN tridimensionalesdiseñados se logró por Seeman en 2009, casi treinta años después de su elucidación original de la idea.

Publicaciones notables• Seeman, N (1982). "uniones Nucleic Acid y celosías." Journal of Theoretical

Biology 99(2):. 237-47 doi : 10.1016/0022-5193 (82) 90002-9 . PMID 6188926 . -Considerado como el primer documento sobre los conceptos de ADN nanotecnología [ 10 ]

• Chen, Junghuei; Seeman, Nadrian C. (1991). . "Síntesis de DNA de una molécula con la conectividad de un cubo" Naturaleza 350 (6319):. 631-3 doi : 10.1038/350631a0 .PMID 2017259 . síntesis del cubo de ADN-El

• Winfree, Erik; Liu, Furong; Wenzler, Lisa A. & Seeman, Nadrian C. (6 agosto 1998)."Diseño y auto-ensamblaje de cristales de ADN de dos dimensiones". Naturaleza 394(6693): 529-544. doi : 10.1038/28998 . ISSN 0028-0836 . PMID 9707114 . -El síntesis de celosías periódicas bidimensionales de doble entrecruzamiento moléculas

• Mao, Chengde, Sun, Weiqiong; Shen, Zhiyong y Seeman, Nadrian C. (14 de enero 1999). "Un dispositivo ADN nanomecánicos Basado en el BZ Transición". Naturaleza397 (6715): 144-146. doi : 10.1038/16437 . ISSN 0028-0836 . PMID 9923675 . -El primer dispositivo nanomecánico basada en el ADN

• . Seeman, Nadrian C. (junio de 2004) "La nanotecnología y la doble hélice" .Scientific American 290 (6):. 64-75 doi : 10.1038/scientificamerican0604-64 . PMID 15195395 . -Un artículo de divulgación científica para explicar el campo de la DNA nanotecnología

• Zheng, Jianping; Birktoft, Jens J.; Chen, Yi, Wang Tong; Sha, Ruojie; Constantinou, Pamela E.; Ginell, Stephan L.; Mao, Chengde et al. (2009). "De molecular para macroscópicas a través del diseño racional de un cristal de ADN 3D auto-ensamblado". Naturaleza 461 (7260): 74-7. doi :10.1038/nature08274 . PMC 2.764.300 . PMID 19727196 . -El síntesis de celosíasperiódicas tridimensionales de moléculas triángulo tensegridad

• Gu, Hongzhou; Chao, Jie; Xiao, Shou-Jun; Seeman, Nadrian C. (2010). "Una línea programable basado en la proximidad de montaje a escala nanométrica de ADN". Naturaleza 465 (7295):. 202-5 doi : 10.1038/nature09026 . PMC 2872101 . PMID 20463734 . línea de ensamblaje molecular basada en el ADN-AVéase también

• Historia de la nanotecnología de ADNReferencias

1. ^ un b . Pelesko, John A. (2007) El autoensamblaje: la ciencia de las cosas que se ponen juntos . Nueva York: Chapman & Hall / CRC. pp 201, 242, 259. ISBN 978-1-58488-687-7 .

2. ^ Dennis Overbye (3 de junio de 2010). "8 científicos comparten $ 3 millones en premios" . The New York Times .

3. ^ "Biografía de Ned" . Laboratorio Seeman Nadrian.4. ^ . Seeman, Nadrian C. (junio de 2004) "La nanotecnología y la doble hélice" . Scientific American 290 (6):.

64-75 doi :10.1038/scientificamerican0604-64 . PMID 15195395 .5. ^ Ver la página web de Nadrian Seeman, el protocolo actual de cristalización de una declaración del

problema, y la página web de Nadrian Seeman, jaulas de ADN que contienen los clientes orientados a la solución propuesta.

6. ^ "Premio 1995 Feynman en Nanotecnología Otorgado por ser pionero en Síntesis de 3-D de ADN de objetos" . El Instituto Foresight. 30 noviembre 1995.

7. ^ Ng, WD; Wong, CKB (2007). "Auto-reconocimiento de ADN: De los procesos vitales de ADN Computación". Comentarios biofísicos y Letras 2 (2): 123-137. doi : 10.1142/S1793048007000490 . PMC 2905173 . PMID 20640192 .

8. ^ un b "NYU Químico Seeman gana premio Kavli de Nanociencia" . Universidad de Nueva York. 03 de junio 2010.

9. ^ "Los nombres de los 2010 ganadores del Premio Kavli anunciaron" . El Premio Kavli.10.^ Pinheiro, AV; Han, D.; Shih, WM; Yan, H. (Diciembre 2011). . "Retos y oportunidades de la

nanotecnología estructural de ADN"Nature Nanotechnology 6 (12):. 763-772 doi : 10.1038/nnano.2011.187 . PMC 3334823 . PMID 22056726 . edición

Nadrian C. Seeman - ¿Por qué usted debe preocuparse acerca de la nanotecnología molecular

Esta característica de opinión regularmente pide a los expertos, incluidos los investigadores, profesionales de negocios y los responsables políticos a la pregunta: "¿Por qué deberían las personas se preocupan por la nanotecnología?"

Por qué preocuparse por la nanotecnología?

Nadrian C. Seeman ,profesor de Química de la Universidad de Nueva York y ex Presidente, Sociedad Internacional de Nanotecnología, Computación e Ingeniería

"Nuestros diferentes programas son de valor en varias maneras. El programa para facilitar la base estructural de la cristalización diana farmacológica podría permitir a los científicos a desarrollar nuevas curas para varias enfermedades. "- Nadrian C. Seeman

¿Por qué preocuparse acerca de la nanotecnología?

La nanotecnología es realmente sólo otra palabra para la química de la construcción de nuevos materiales. La historia de nuestra especie se podría escribir como un avance en nuestra capacidad para controlar la estructura de la materia a escalas cada vez más finas.Hasta hace poco, estas escalasfueron macroscópica, pero nosotros, como especie ahora están aprendiendo a controlar la estructura de la materia para fabricar dispositivos con características cada vez más pequeños, sobre todo para la electrónica y las aplicaciones de la biología molecular.

La nanotecnología se ocupa en gran medida con la organización de la materia en la misma escala que hace la célula, unos pocos nanómetros. Ni que decir tiene, es importante que el público entiendalas características clave de todos los aspectos de la ciencia, y más y más de la ciencia está cayendo bajo la rúbrica de la nanotecnología.

¿Cuáles son sus objetivos de investigación?

En pocas palabras, se busca controlar la estructura de la materia en tres dimensiones en la escala más fina posible. Trabajamos con las moléculas de ADN ramificados que hacer esto. La combinación de ADN ramificado y las interacciones cohesivas, como extremos pegajosos permite

diseñar y construir redes estructuradas específicamente en 2D y 3D.

Hemos demostrado esto en 2D, y estamos trabajando para mejorar nuestros arrays (cristales) en 3D.

¿Por qué queremos hacer esto? El primer objetivo es utilizar nuestro sistema de ADN ramificado andamiar la organización de macromoléculas biológicas en matrices cristalinas, superando así el problema de la cristalización de la cristalografía biológica. Esto permitirá a la caracterización estructural en 3D de los posibles objetivos farmacológicos, lo que lleva al diseño racional de fármacos.

Si uno se puede imaginar la organización de componentes biológicos de esta manera, también se puede imaginar la organización de componentes nanoelectrónicos de la misma manera. Es comúnmente aceptado que los métodos de arriba hacia abajo que se utilizan actualmente de los componentes del equipo de construcción se golpeó la pared en la próxima década más o menos. Nanotecnología de ADN nos permitirá ensamblar estos componentes de abajo hacia arriba. Esto dará lugar a arquitecturas más rápidos de menor tamaño. Además, el montaje de abajo hacia arriba ofrece la possibiity de 3D, no sólo la organización 2D.

Nuestros otros objetivos implican el uso de dispositivos nanomecánicos ADN. Hemos construido robustos dispositivos dependientes de la secuencia, y un poco nanorobot que camina en una acera. Hemos utilizado los dispositivos dependientes de la secuencia para construir una máquina que emula la acción de un ribosoma: Se traduce las señales de ADN en las instrucciones de montaje de polímero, así como el ribosoma traduce el código genético en las instrucciones de montaje de proteínas.

Después de haber construido este prototipo, esperamos poder generalizar el dispositivo para crear polímeros con la misma especificidad que la célula utiliza para construir proteínas.Tenemos la visión de la nanorobot como un componente en una línea de nano-ensamblaje.Podría llevar suministros a las estaciones particulares a lo largo de la línea. Además, un grupo de ellos podría organizarse para tejer polímeros juntos en las fibras más fuertes.

¿Cómo es su investigación relevante para el público en general?

Nuestros diferentes programas son de valor en varias maneras. El programa para facilitar la base estructural de la cristalización diana farmacológica podría permitir a los científicos a desarrollar nuevas curas para varias enfermedades. Los inhibidores de la proteasa del VIH se desarrollaron a partir de estructuras cristalinas de la proteasa, pero había una gran cantidad de suerte implicada en conseguir esos cristales. Nos gustaría eliminar la dependencia de la suerte.

El programa para organizar la nanoelectrónica en 3D a partir de abajo hacia arriba es una tecnologíapotencialmente disruptiva que aumentará la velocidad y disminuir el tamaño de los dispositivos computuational. Además, esperamos que habrá aplicaciones biomédicas. Tenga presente que no estamos proponiendo utilizar propiedades eléctricas del propio ADN, sólo para usar el ADN como un andamio.

Creemos que los dispositivos nanomecánicos basados en el ADN nos permitirán construir nuevos materiales nunca antes imaginadas. Vamos a obtener el control sin precedentes sobre su composición, y además seremos capaces de controlar su organización espacial, lo que lleva a la nueva, y quizás propiedades ambientalmente sensibles.

En el contexto de su investigación, ¿cómo lo ves impactando el futuro?

Todos los temas antes mencionados son áreas de investigación activa en nuestro laboratorio.Universidad de Nueva York ha concedido la licencia para nuestras patentes NanocienciaTechnologies, Inc. , que tiene previsto llevar a nuestros hallazgos en el mercado, combatiendo así labrecha entre el trabajo académico que hacemos y las aplicaciones del mundo real que se derivarán de ellas. Es probable que los nuevos medicamentos, mayor potencia de cálculo y los nuevos materiales que resultarán de nuestro programa de investigación es probable que tengan un gran impacto en nuestro futuro.