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メカノシンセシスとは、反応分子を特定の分子部位に誘導するために機械的な制約を用いることで反応結果を決定する化学合成のことである。付加型および減算型の両方のメカノシンセシスの最初の例は、反転モード走査トンネル顕微鏡（IM-STM）と呼ばれる技術を用いて実証された。この研究以前には、この目的を達成した非生物学的化学合成は存在せず、従来の走査トンネル顕微鏡で原子配置が部分的にしか実現されていなかった。
従来の化学合成（ケモシンセシス）では、反応性分子は液体または気体中のランダムな熱運動によって互いに遭遇する。一方、メカノシンセシスという仮説上のプロセスでは、反応性分子は分子機械システムに接続され、計画された順序、位置、および向きで分子同士を近づける機械的な運動によって遭遇が生じる。メカノシンセシスは、反応物質同士を離しておくことで望ましくない反応を回避し、多くの分子振動サイクルにわたって反応物質を最適な向きに保持することで、望ましい反応を強く促進すると考えられている。生物学においては、リボソームがプログラム可能なメカノシンセティック装置の一例である。
非生物学的なメカノケミストリーは、走査型トンネル顕微鏡を用いて極低温で実施されている。[ 1 ]これまでのところ、このような装置は分子工学のための製造ツールに最も近いものとなっている。メカノ合成のより広範な活用には、分子機械システムを構築するためのより高度な技術が必要であり、リボソームのようなシステムが魅力的な初期目標となる。
高度なメカノシンセシスに対する期待の多くは、分子スケールのデバイスの組み立てにおけるその潜在的な用途に向けられている。このような技術は、医療、航空、資源採掘、製造、そして戦争など、多くの分野で応用が期待されている。
この種の高度な機械に関する理論的な研究のほとんどは、炭素の使用に焦点を当ててきた。これは、炭素が形成できる強力な結合の数々、これらの結合によって可能となる多様な化学反応、そしてこれらの結合が医療や機械用途において有用であることによる。例えば、炭素はダイヤモンドを形成するが、ダイヤモンドが安価に入手できれば、多くの機械にとって優れた材料となるだろう。
特にK.エリック・ドレクスラーは、メカノシンセシスが原子レベルの精度で巨視的な物体を構築できるナノファクトリーに基づく分子製造の基礎となるだろうと提唱している。しかし、ノーベル賞受賞者のリチャード・スモーリー（「スモーリーフィンガー」に基づく非現実的なアプローチを提案し、その後批判した）は、こうした可能性に異議を唱えている。 [ 2 ]
2000年にロバート・フレイタスとラルフ・マークルによって設立されたナノファクトリーコラボレーション[ 3 ]は、10の組織と4か国から23人の研究者が参加する集中的な継続的な取り組みであり、位置制御されたダイヤモンドのメカノ合成とダイヤモンド状ナノファクトリーの開発を特に目的とした実用的な研究課題[ 4 ]を開発しています。
実際には、顕微鏡の先端上の既知の位置に正確に1つの分子を配置することは可能であるが、自動化は困難であることが分かっている。実用的な製品には少なくとも数億個の原子が必要となるため、この技術は実際の製品製造にはまだ実用的ではない。
メカノアセンブリ研究の一分野は、適切な合成反応の調整と選択によってこれらの問題を克服することを目指している。外部コンピュータの制御下で、メカノケミカルな手段を用いて自己複製できる、特殊な超小型（一辺約1,000ナノメートル）工作機械の開発を試みることを提案する研究者もいる。文献では、このようなツールはアセンブラまたは分子アセンブラと呼ばれている。アセンブラが実用化されれば、幾何級数的成長（複製をさらに複製する）によってアセンブラのコストを急速に削減できる可能性がある。外部コンピュータによる制御によって、多数のアセンブラが原子レベルの精度で大規模かつ有用なプロジェクトを構築できるようになるはずだ。そのようなプロジェクトの一例として、分子レベルのコンベアベルトと常設のアセンブラを組み合わせて工場を建設するという構想がある。
こうした問題や、産業事故の危険性、チェルノブイリやボパールのような暴走事故への人々の恐怖、さらにエコファジー、グレイグー、グリーングー（メカノシンセシスで製造可能な暴走レプリケーターから発生する可能性のある様々な災害）といった関連する問題を解決するため、2003年に英国王立協会と英国王立工学アカデミーは、機械工学教授のアン・ダウリングをリーダーとして、これらの問題とより広範な社会的・生態学的影響に対処するための研究を委託した。この研究は、これらの問題と可能性について強い立場を示し、いわゆるメカノシンセシスの一般理論への発展の道筋を示すものと期待されていた。しかし、王立協会のナノテクノロジー報告書は、グレイグーとともに分子製造を否定した以外は、分子製造については全く触れていない。
ナノファクトリーに関する現在の技術提案には自己複製ナノロボットは含まれておらず、最近の倫理ガイドラインではナノマシンにおける無制限の自己複製能力の開発は禁止されている。[ 5 ] [ 6 ]
水素原子を機械的に除去/追加し[ 7 ]、炭素原子を堆積させることでダイヤモンドを合成する査読済みの理論的研究が増えている[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [12][ 13 ] （ダイヤモンドメカノシンセシスまたはDMS [ 14 ]として知られるプロセス）。たとえば、Freitas、Merkle、および彼らの共同研究者によるこの継続的な研究の2006年の論文では、最も研究されているメカノシンセシスツールチップモチーフ（DCB6Ge）が、300 K（室温）と80 K（液体窒素温度）の両方でC(110)ダイヤモンド表面にC 2炭素二量体を配置することに成功し、シリコンバリアント（DCB6Si）も80 Kでは機能するが300 Kでは機能しないことが報告されている。これらのツールチップは、厳密に制御された環境（たとえば真空）でのみ使用することを想定している。ツールチップの並進および回転位置ずれの許容最大範囲は論文IIIに記載されています。ダイマーの誤った結合を避けるため、ツールチップは非常に高い精度で配置する必要があります。この研究には10万CPU時間以上が費やされました。
2002年のフォアサイト会議で最初に発表されたDCB6Geツールチップモチーフは、ダイヤモンドメカノ合成用に提案された最初の完全なツールチップであり、200原子のダイヤモンド表面全体で意図された機能についてシミュレーションに成功した唯一のツールチップモチーフです。初期の論文では、このツールチップの配置速度は1秒あたり1ダイマーと予測されていますが、この制限は非効率的な再充電方法を使用したツールの再充電速度が遅いことによって課せられたものであり[ 10 ]、充電されたツールチップの使用速度に内在する制限に基づくものではありません。さらに、ダイマー配置の試みの3つの可能な結果（正しい位置への堆積、間違った位置への堆積、ダイマーの配置の失敗）を区別するためのセンシング手段は提案されていませんでした。これは、ツールチップと表面の相互作用に対して適切な化学エネルギーと相対的な結合強度を設計することで適切な反応が保証され、推測によってツールチップを配置するという最初の提案だったためです。
より最近の理論的研究[ 15 ]では、水素、炭素、ゲルマニウムから作られた9つの分子ツールの完全なセットを分析しており、(a)セット内のすべてのツールを合成し、(b)適切な原料分子からセット内のすべてのツールを再充電し、(c)幅広い種類の硬い炭化水素（ダイヤモンド、グラファイト、フラーレンなど）を合成できるとしている。必要なすべての反応は、標準的なab initio量子化学法を使用して分析されている。
代替チップを検討するためのさらなる研究[ 16 ]には、時間のかかる計算化学と困難な実験作業が必要となる。2000年代初頭の典型的な実験構成は、分子を原子間力顕微鏡のチップに取り付け、顕微鏡の精密な位置決め機能を使用して、チップ上の分子を基板上の別の分子に押し込むというものであった。角度と距離を精密に制御でき、反応が真空中で起こるため、新しい化学化合物や配置が可能となる。
単一原子を機械的に移動させる技術は、エリック・ドレクスラーが1986年の著書『創造のエンジン』の中で提唱した。
1989年、IBMのチューリッヒ研究所の研究者たちは、極低温の銅表面上にキセノン原子で「IBM」という文字を綴ることに成功し、この手法の有効性を大まかに実証した。 [ 1 ] [ 17 ]それ以来、多くの研究プロジェクトが、同様の技術を用いてコンピュータデータをコンパクトに保存する試みを行ってきた。最近では、この技術は新しい物理化学を探求するためにも用いられており、レーザーを用いて探針を特定のエネルギー状態に励起したり、特定の化学結合の量子化学を調べたりすることもある。
1999年に、特徴指向走査[ 18 ] [ 19 ]（FOS）と呼ばれる実験的に実証された手法が提案されました。特徴指向走査手法により、走査プローブ顕微鏡（SPM）のプローブの位置を室温で原子表面上で正確に制御できます。提案された手法は、メカノ合成やボトムアップナノ加工の課題を解決する際に、シングルプローブおよびマルチプローブ装置の完全自動制御をサポートします。
2003年、大藪ら[ 20 ]は、純粋に機械的原理に基づく共有結合の形成と切断の最初の事例、すなわち、炭素原子ではなくシリコン原子を用いた真のメカノ合成の最初の実験的実証を報告した。
2005年に、ダイヤモンドメカノシンセシスに関する最初の特許出願[ 21 ]が提出された。
2008年には、原理実証のためのメカノシンセシスシステムの開発資金として310万ドルの助成金が提案された[ 22 ] 。
2013年、IBMは原子を使った短編アニメーション映画『少年と原子』を制作した。 [ 23 ]
2025年、CBN Nano Technologies, Inc.の研究者らは、逆モード走査トンネル顕微鏡（IM-STM）[ 24 ]を発表した。これは、Si(100)表面に堆積された、調整されたアルキニル末端分子が、STMプローブ先端の原子配置を画像化する役割と、トンネル接合部を横切る機械的に制御された反応における化学試薬としての役割という二重の役割を果たす技術である。接合部の両側をサブオングストローム精度で位置決めすることで、この方法はプローブから水素原子を再現性よく引き抜くことを可能にし、位置制御された原子精度のゼロバイアス減算メカノ合成を実証した。著者らは、このアプローチが他の元素や化学部位にも一般化でき、スケーラブルな原子精度の製造への道を開くと提案している。
2026年、CBN Nano Technologies, Inc.の研究者らは、4 KでIM-STMを使用して水素化Si(100)表面に炭素構造を供与する形で、原子レベルで精密な付加的メカノ合成の最初の実証を報告した[ 25 ]。事前にパターン化されたダングリングボンド(DB)サイトに機械的に接近すると、堆積されたツールは、正味の下り坂のエネルギー経路に沿ってGe-C結合の切断を介してC₂ユニットを転送し、93%の成功率(197回の相互作用のうち184回)で列間C₂付加物(IR-C₂)を生成した。このプロセスの反復適用により、連続的なC-C結合形成によって表面に結合したC₂構造が拡張され、4つの炭素鎖(IR-C₄)と空間的にパターン化されたマルチサイト炭素アレイが生成され、位置制御されたメカノ合成供与が、プログラム可能な原子レベルで精密な製造のための再現可能な機能として確立された。
分子ナノテクノロジー、考えられる生成物についてのより一般的な説明、およびその他の組み立て技術に関する議論も参照してください。