Дискуссия Дрекслера-Смолли о молекулярной нанотехнологии

Дискуссия Дрекслера –Смолли о молекулярной нанотехнологии ^[1] была публичным спором между К. Эриком Дрекслером , создателем концептуальной основы молекулярной нанотехнологии , и Ричардом Смолли , лауреатом Нобелевской премии по химии 1996 года за открытие наноматериала бакминстерфуллерена . Спор касался возможности создания молекулярных ассемблеров , представляющих собой молекулярные машины , которые могли бы роботизированно собирать молекулярные материалы и устройства, манипулируя отдельными атомами или молекулами. Концепция молекулярных ассемблеров была центральной в концепции молекулярной нанотехнологии Дрекслера, но Смолли утверждал, что фундаментальные физические принципы не позволят им когда-либо стать возможными. Они также обменялись обвинениями в том, что концепция нанотехнологии друг друга наносит вред общественному восприятию этой области и угрожает дальнейшей общественной поддержке исследований в области нанотехнологий.

Дебаты проводились с 2001 по 2003 год посредством серии опубликованных статей и открытых писем . Они начались со статьи Смолли в Scientific American в 2001 году , за которой последовало опровержение, опубликованное Дрекслером и его коллегами позднее в том же году, и два открытых письма Дрекслера в начале 2003 года. Дебаты завершились в конце 2003 года в статье «Точка–Контрапункт» в Chemical & Engineering News, в которой приняли участие обе стороны.

Дебаты часто цитировались в истории нанотехнологий из-за известности их участников и их комментариев как по техническим, так и по социальным аспектам нанотехнологий . Их также широко критиковали за их враждебный тон: Дрекслер обвинял Смолли в публичном искажении его работы, а Смолли обвинял Дрекслера в неспособности понять базовую науку, в результате чего комментаторы зашли так далеко, что охарактеризовали тон дебатов как похожий на «матч по писсингу » ^[2] и «напоминающий скетч из Saturday Night Live ». ^[3]

К. Эрик Дрекслер, как правило, считается автором первой научной работы по теме нанотехнологий, ^{[4] [5]} и был ключевой фигурой в популяризации этих концепций посредством нескольких публикаций и пропагандистской работы. ^{[4] [6]} Получив образование инженера, Дрекслер был вдохновлен тогда малоизвестным докладом 1959 года физика Ричарда Фейнмана под названием «Там внизу полно места» , в котором утверждалось, что должно быть физически возможно манипулировать отдельными атомами, используя инженерные методологии сверху вниз. Дрекслер также был вдохновлен недавними достижениями в молекулярной биологии, такими как технология рекомбинантной ДНК . В публикации 1981 года в Proceedings of the National Academy of Sciences , которая считается первой журнальной статьей по нанотехнологиям, он утверждал, что биологические системы, такие как рибосома, уже способны строить молекулы атом за атомом, и что искусственные машины с такой способностью также могут быть созданы. Дрекслер опубликовал две книги по нанотехнологиям: «Двигатели творения» в 1986 году, которая была предназначена для широкой публики, и техническую работу «Наносистемы» в 1992 году. Он также стал соучредителем Института Форсайта , общественной группы, занимающейся повышением осведомленности и информации общественности о молекулярных нанотехнологиях. ^[4]

Видение Дрекслера нанотехнологии, теперь называемой молекулярной нанотехнологией , основано на концепции молекулярного ассемблера , молекулярной машины , которая будет производить молекулы и молекулярные устройства атом за атомом. Дрекслер провел различие между влажной нанотехнологией , основанной на биологических системах, и сухой нанотехнологией «второго поколения», которая будет основана на механосинтезе , позиционном управлении молекулами с помощью принципов, больше связанных с машиностроением . Дрекслер и его последователи сосредоточились почти исключительно на последней форме молекулярной нанотехнологии, но Дрекслер заявил, что оба являются допустимыми путями к созданию систем молекулярных машин. ^[4]

Ричард Э. Смолли, химик из Университета Райса , был наиболее известен как один из первооткрывателей формы углерода C ₆₀ , известной как бакминстерфуллерен , в 1985 году, вместе с Гарри Крото , Робертом Кёрлом , Джеймсом Хитом и Шоном О'Брайеном. Бакминстерфуллерен был первым, кто был обнаружен в классе молекул, известных как фуллерены , который также включает углеродные нанотрубки . Изучение и применение фуллеренов составляет значительную часть областей наноматериалов и наноэлектроники , и Смолли, Крото и Кёрл были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года за свое открытие. ^[7]

Смолли также играл видную роль в государственной политике в отношении нанотехнологий и был ярым сторонником использования нанотехнологий для разработки решений мировых энергетических и медицинских проблем, например, повышения возможности использования наноматериалов для эффективного хранения и передачи энергии , а также разработки лекарств на основе наноматериалов для целевой доставки лекарств . Смолли также активно занимался коммерциализацией своих академических исследований углеродных нанотрубок, основав Carbon Nanotechnologies Inc. и работая в научном консультативном совете двух других стартапов в области биотехнологий и нанотехнологий . Смолли умер от лейкемии в октябре 2005 года после завершения своих дебатов с Дрекслером. ^{[8] [9]}

Смолли написал статью «О химии, любви и наноботах» для выпуска научно-популярного журнала Scientific American за сентябрь 2001 года , который был специальным выпуском, посвященным нанотехнологиям. ^[10] Смолли начал со сравнения химической реакции со сложным танцем атомов:

Когда парень и девушка влюбляются, часто говорят, что между ними хорошая химия. Это распространенное использование слова «химия» в человеческих отношениях приближается к тонкости того, что на самом деле происходит в более обыденном соединении молекул. В химической реакции между двумя «согласными» молекулами связи образуются между некоторыми атомами в том, что обычно является сложным танцем, включающим движение во многих измерениях... И если химия действительно очень, очень хорошая, то все молекулы, которые реагируют, произведут именно тот требуемый продукт.

Он сослался на идею молекулярного ассемблера , наноробота, способного манипулировать отдельными атомами для создания желаемого продукта, задав вопрос о том, сколько времени потребуется такому ассемблеру для производства значимого количества материала. Он подсчитал, что одному работающему в одиночку ассемблеру потребуются миллионы лет для производства одного моля материала, но самовоспроизводящиеся ассемблеры могут в течение минуты произвести достаточно большой ансамбль ассемблеров, который затем будет способен производить моль продукта за долю миллисекунды. Затем Смолли обсудил опасения, что нанороботы могут мутировать и размножаться бесконечно, вызывая сценарий серой слизи , или, ссылаясь на предыдущую статью Билла Джоя « Почему будущее не нуждается в нас », что нанороботы могут развить роевой интеллект и стать живыми в каком-то смысле.

Затем Смолли рассмотрел, насколько реалистична концепция самовоспроизводящегося наноробота. Он отметил, что в химической реакции все химические связи взаимосвязаны и что размещение каждого атома чувствительно к положению всех других атомов поблизости. Затем он утверждал, что молекулярный ассемблер должен был бы контролировать много атомов одновременно, чтобы работать, и обладать множеством манипуляторов. Это привело его к двум возражениям против концепции молекулярного ассемблера, которые он назвал «проблемой толстых пальцев» и «проблемой липких пальцев»:

Поскольку пальцы руки манипулятора сами должны быть сделаны из атомов, они имеют определенный неуменьшаемый размер. В области реакции нанометрового размера просто недостаточно места для размещения всех пальцев всех манипуляторов, необходимых для полного контроля над химией... [Кроме того,] атомы рук манипулятора будут прилипать к перемещаемому атому. Поэтому часто будет невозможно высвободить этот крошечный строительный блок точно в нужном месте. Обе эти проблемы являются фундаментальными, и ни одну из них нельзя избежать. Самовоспроизводящиеся механические наноботы просто невозможны в нашем мире.

Смолли завершил статью, вернувшись к аналогии химии с танцем любви, отметив, что «невозможно заставить девушку и парня полюбить друг друга, столкнув их вместе».

Дрекслер ответил публикацией опровержения позднее в 2001 году через Институт молекулярного производства, которое было написано в соавторстве с другими авторами, включая Роберта Фрейтаса , Дж. Сторрса Холла и Ральфа Меркла . ^[11] Сначала авторы обсудили аргумент «толстых пальцев», напав на идею Смолли о том, что химическая реакция должна включать от пяти до пятнадцати атомов, заявив, что во многих реакциях задействовано всего два реагента, один из которых может быть иммобилизован, а другой прикреплен к одному «пальцу». Они привели в качестве доказательств экспериментальные и теоретические результаты, указывающие на то, что использование зондов сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и связанных с ними технологий может быть использовано в качестве реактивной структуры для позиционного контроля и для взаимодействия с молекулами, связанными с поверхностью. Они также отметили, что атомарно точные конечные продукты не требуют точного контроля всех аспектов химической реакции. Авторы отметили, что проблема «липких пальцев» актуальна в некоторых реакциях, но утверждают, что было бы ошибочно делать вывод о том, что эта проблема есть во всех реакциях.

Авторы приводят рибосому в качестве примера естественной молекулярной машины; поскольку рибосома не страдает ни от одной из этих проблем, они не должны быть фундаментальными, говоря:

Этот вездесущий биологический молекулярный ассемблер не страдает ни от проблемы «толстого пальца», ни от проблемы «липкого пальца». Если, как утверждает Смолли, обе проблемы являются «фундаментальными», то почему они должны препятствовать развитию механических ассемблеров, а не биологических? Если класс молекулярных структур, известных как белки, может быть синтезирован с использованием позиционных методов, то почему мы должны ожидать, что не будет других классов молекулярных структур, которые могут быть синтезированы с использованием позиционных методов?

Авторы также подвергли сомнению цифры Смолли по времени репликации наномашин. Вместо цифры Смолли в 1 ГГц для частоты размещения атомов они указывают, что Nanosystems предложили частоту в 1 МГц, в тысячу раз медленнее, и что при более высокой частоте Смолли алмазоидные наномашины перегрелись бы и разложились за миллисекунды. Авторы назвали это аргументом соломенного чучела , написав, что «в серьезном научном обсуждении расхождение в три порядка между тем, что было предложено в литературе, и тем, что критикуется, в лучшем случае предполагает неадекватное понимание предложения». Авторы завершили, заявив, что лучший способ выяснить, осуществимы ли молекулярные ассемблеры, — это экспериментальная и теоретическая работа, и что «существует много достойных проблем молекулярной системной инженерии, которые необходимо преодолеть, но до сих пор не было ни одного убедительного аргумента, что эти устройства неосуществимы».

Дрекслер затем отправил Смолли два открытых письма в апреле и июле 2003 года. Апрельское письмо ^[12] начиналось словами: «Я написал это открытое письмо, чтобы исправить ваше публичное искажение моей работы». Дрекслер обвинил Смолли в том, что тот продолжает игнорировать его работу, публично описывая молекулярные ассемблеры как требующие того, что Дрекслер теперь называет «пальцами Смолли», которые, как он утверждал, не похожи на ферментоподобные системы, которые он фактически предложил. Он утверждал:

Невозможность "пальцев Смолли" не вызвала беспокойства в исследовательском сообществе, поскольку эти пальцы не решают никаких проблем и, таким образом, не появляются ни в каких предложениях. Ваша опора на эту атаку соломенного чучела может заставить вдумчивого наблюдателя заподозрить, что никто не выявил обоснованной критики моей работы. За это я, возможно, должен поблагодарить вас.

Дрекслер сравнил важность дебатов о нанотехнологиях с обсуждениями космических полетов до «Спутника» или с теоретическими работами по ядерной химии до Манхэттенского проекта . Он оспорил аргументы Смолли о том, что страх перед сценарием «серой слизи» будет препятствовать дальнейшему финансированию исследований в области нанотехнологий, утверждая, что потенциальные долгосрочные риски делают исследования еще более важными. В своем заключении он заявил: «Ваши неверно направленные аргументы напрасно запутали общественное обсуждение подлинных долгосрочных проблем безопасности».

В письме от июля 2003 года ^[13] упоминается записка Смолли, обещающая ответить, которая пока не была выполнена. Дрекслер упоминает несоответствия в предыдущих публичных заявлениях Смолли о построении атом за атомом и заканчивает заявлением: «Обычно я не поднимаю этот вопрос так настойчиво, но вопрос о том, чего в конечном итоге может достичь нанотехнология, возможно, является наиболее фундаментальным вопросом в этой области сегодня — он формирует основные цели и ожидания — и ваши слова оказались на удивление эффективными в изменении того, как воспринимается этот вопрос».

Дебаты были завершены в статье «Точка–Контрапункт», которая была главной историей Chemical & Engineering News , новостного журнала Американского химического общества , от 1 декабря 2003 года . ^[14] В статье впервые было воспроизведено открытое письмо Дрекслера от апреля 2003 года Смолли. Ответ Смолли начался с извинений за любые оскорбления, которые нанесла его статья в сентябре 2001 года, и заявления о том, что книга Дрекслера « Двигатели творения » вызвала собственный интерес Смолли к нанотехнологиям. Он согласился, что «пальцы Смолли» не могут работать, а затем заявил, что те же причины, которые исключают атомный контроль реакций, также исключают манипуляцию более крупными строительными блоками, поскольку каждая молекула будет иметь несколько атомов, которые необходимо будет контролировать.

Затем он согласился, что нечто вроде фермента или рибосомы будет способно к точной химии, но спросил, как наноробот сможет получать, контролировать и восстанавливать такой фермент, и отметил несовместимость многих реакций с биологическими системами на основе воды, заявив, что «биология удивительна в огромном разнообразии того, что она может построить, но она не может создать кристалл из кремния, или стали, или меди, или алюминия, или титана, или практически любого из ключевых материалов, на которых построены современные технологии». Смолли спросил, какую «неводную ферментоподобную химию» Дрекслер хотел бы видеть для своих молекулярных ассемблеров, назвав это «обширной областью химии, которая ускользала от нас на протяжении столетий».

Контрответ Дрекслера начался с возвращения к докладу Фейнмана 1959 года, в котором он заявил, что «хотя и вдохновленное биологией... видение Фейнманом нанотехнологий является в основе своей механическим, а не биологическим». Он охарактеризовал проблемы как проблемы системной инженерии , а не исключительно химии, и отослал Смолли к «Наносистемам » с их видением механического управления химическими реакциями без ферментов и без опоры на растворители или тепловое движение. Он заявил:

Позиционный контроль естественным образом позволяет избежать большинства побочных реакций, предотвращая нежелательные встречи между потенциальными реагентами. Теория переходного состояния показывает, что для соответствующим образом выбранных реагентов позиционный контроль позволит осуществлять синтетические шаги на частотах мегагерц с надежностью цифровых коммутационных операций в компьютере. Подтверждающий анализ для этого вывода опубликован в "Наносистемах" и выдержал десятилетие научного изучения.

Дрекслер повторил, что эти молекулярные ассемблеры не потребуют невозможных пальцев и дополнят химию фазы раствора для производства макроскопических продуктов с точным расположением химических строительных блоков, используя молекулярные ассемблеры фазы раствора для самозагрузки конструкции более сложных ассемблеров. Он заключил, написав:

Прогресс США в молекулярном производстве сдерживается опасной иллюзией, что это неосуществимо. Надеюсь, вы согласитесь, что реальные физические принципы молекулярного производства здравы и совершенно не похожи на различные представления, многие из которых широко распространены в прессе, которые вы справедливо отвергли. Я приглашаю вас присоединиться ко мне и другим в призыве усилить сегодняшние наномасштабные исследования системной инженерией, направленной на достижение грандиозного видения, сформулированного Ричардом Фейнманом.

Смолли начал свое заключительное письмо так:

Я вижу, что вы уже вышли из комнаты, куда я вас привел, чтобы поговорить о настоящей химии, и теперь вы снова в своем механическом мире. Мне жаль, что мы так закончили. На мгновение я подумал, что мы добились прогресса. Вы, кажется, все еще не понимаете воздействия моей короткой статьи в Scientific American. Так же, как вы не можете заставить мальчика и девочку полюбить друг друга, просто столкнув их вместе, вы не можете заставить точную химию происходить желаемым образом между двумя молекулярными объектами с помощью простого механического движения вдоль нескольких степеней свободы в фиксированной ассемблером системе отсчета. Химия, как и любовь, более тонка.

Смолли заявил о своей убежденности в том, что большинство реакций с использованием механосинтеза просто дадут неправильный продукт, и что очень немногие реакции и целевые молекулы, вероятно, будут совместимы с таким подходом. Он утверждал, что любой роботизированной сборочной руке понадобится инструмент, подобный ферменту, на конце, поэтому потребуется жидкая среда, и поскольку все известные ферменты используют воду в качестве этой среды, диапазон продуктов должен быть ограничен «мясом и костями биологии». Он обвинил Дрекслера в создании «притворного мира, где атомы идут туда, куда вы хотите, потому что ваша компьютерная программа направляет их туда».

Наконец, Смолли рассказал о своем недавнем опыте чтения эссе, написанных учениками средних и старших классов после выездного визита, заявив, что почти половина из них считали, что самовоспроизводящиеся нанороботы возможны, и что большинство были обеспокоены результатами их распространения по всему миру. Смолли назвал это глубоко тревожной историей у постели больного, которую он сделал все возможное, чтобы развеять. Смолли завершил свое письмо:

Вы и люди вокруг вас напугали наших детей. Я не ожидаю, что вы остановитесь, но я надеюсь, что другие в химическом сообществе присоединятся ко мне, чтобы включить свет и показать нашим детям, что, хотя наше будущее в реальном мире будет сложным и будут реальные риски, не будет такого монстра, как самовоспроизводящийся механический нанобот вашей мечты.

Дебаты широко критиковались за их враждебный тон. Дэвид Беруби в Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz охарактеризовал их как «двух людей, говорящих друг с другом... не способствующих разумному опровержению», и процитировал блогера и журналиста по нанотехнологиям Говарда Лови, который сказал, что «тон дебатов — о личной гордости, репутации и месте в пантеоне». ^{[9] Основатель} Zyvex Джеймс фон Эр заметил, что «Эрик [Дрекслер] не оказал себе никакой пользы, ввязавшись в перебранку с лауреатом Нобелевской премии». ^[2] Статья в The New York Times назвала дебаты «напоминающими тот старый скетч Saturday Night Live ... [где] Дэн Эйкройд и Джейн Кёртин бросались оскорблениями друг в друга, якобы обсуждая серьезный политический вопрос», ссылаясь на версию давно существующего сегмента Weekend Update . ^[3]

Дебаты также подверглись технической критике. Стивен А. Эдвардс в книге The Nanotech Pioneers отметил, что неоднозначность спецификаций и даже определения молекулярного ассемблера затрудняет оценку аргумента и сводит к минимуму его научные последствия. Он заметил, что «нигде в « Наносистемах» нет чертежа молекулярного ассемблера... Нам говорят, например, что манипулятор будет включать 4 000 000 атомов, но нам не говорят, какие именно атомы или как они будут соединены». Он заключает, что «дебаты по поводу механосинтеза до сих пор являются огромными для участников, но в основном представляют собой развлекательное академическое развлечение для большинства нанотехнологов». ^[2]

С другой стороны, футурист Рэй Курцвейл в своей книге «Сингулярность близка» объявил Дрекслера победителем дебатов ^[15], повторив точку зрения, что Смолли исказил идеи Дрекслера, и назвав ответы Смолли «недостаточными по конкретным цитатам и текущим исследованиям и изобилующими неточным метафорами» и утверждая, что «Смолли игнорирует последнее десятилетие исследований альтернативных способов позиционирования молекулярных фрагментов с использованием точно управляемых молекулярных реакций... [которые] были широко изучены». Он процитировал экспериментальные результаты по функции ферментов в неводных растворах и указал, что современные небиологические технологии, такие как самолеты и компьютеры, превзошли возможности естественных биологических систем. Он также отметил, что «более ранние критики также выражали скептицизм по поводу того, что всемирные коммуникационные сети или программные вирусы, которые могли бы распространяться по ним, были бы осуществимы... [но сегодня] мы получаем гораздо больше выгоды, чем вреда от этого последнего примера переплетенных обещаний и опасностей». ^[16]

Фокус дебатов на общественном восприятии нанотехнологий также получил комментарии. Политический блогер Гленн Рейнольдс заявил, что «бизнес-сообщество боится, что передовые нанотехнологии кажутся слишком, ну, жуткими — и, что еще хуже, что обсуждения потенциально жутких последствий приведут к общественным страхам, которые могут помешать выводу продуктов на рынок». ^[17] Лоуренс Лессиг раскритиковал научное сообщество, представленное Смолли, за утверждение, что «если так называемые опасные нанотехнологии можно отнести к летним научно-фантастическим фильмам и забыть после Дня труда, то серьезная работа может продолжаться, поддержанная миллиардным финансированием и свободная от идиотизма, который хоронит, например, исследования стволовых клеток». ^{[17] [18]} Курцвейл написал, что подход Смолли к успокоению общественности приведет к обратным результатам, поскольку он отрицает как преимущества, так и риски молекулярной нанотехнологии. ^[15]