Bei der Chemosynthese, der traditionellen (und allgegenwärtigen) Methode zur Initiierung chemischer Reaktionen, werden viele Millionen oder mehr der Reaktantenmoleküle in einer Flüssigkeit oder einem Dampf kombiniert und lassen sie durch thermische Bewegung zufällig kollidieren, bis eine ausreichende Menge der gewünschten Reaktionsprodukte vorliegt produziert. Im Gegensatz dazu würden bei der Mechanosynthese, einer fortgeschrittenen chemischen Synthesetechnik, die sich noch im Entwicklungsprozess befindet, molekularmechanische Systeme, die unter programmierten Anweisungen arbeiten, ein einzelnes Molekül oder Atom mit einem anderen zusammenbringen und sie auf eine gerichtete und geordnete Weise miteinander verbinden. Mit dieser Methode konnten unerwünschte Reaktionen vermieden und der Reaktionsdurchsatz erheblich gesteigert werden.
Eine rudimentäre Mechanosynthese wurde bereits 2003 mit Silizium von Oyabu et al. Unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops (STM) nutzten Oyabu und seine Mitarbeiter allein mechanische Kraft, um kovalente Atombindungen zu knüpfen und zu brechen. Dieses Kunststück wurde unter kryogenen Temperaturen in einer Vakuumumgebung durchgeführt. Zuvor, im Jahr 1988, buchstabierten IBM-Forscher die Buchstaben „IBM“ mit Xenon-Atomen auf einer Kupferoberfläche. Dies war keine echte Mechanosynthese, sondern demonstrierte die Machbarkeit der Manipulation einzelner Atome mit einem STM, einem Mikroskopgerät mit einer monoatomaren Spitze. Im Prinzip ist es möglich, einzelne Moleküle mit einer STM-Spitze zu manipulieren, obwohl die Automatisierung des Prozesses schwierig war.
Damit die Mechanosynthese etwas anderes als eine wissenschaftliche Kuriosität ist und für den Bau praktischer Produkte nützlich ist, müsste sie massiv parallel durchgeführt werden, wobei flexiblere atomare Bausteine wie Kohlenstoff verwendet werden. Um die erforderliche Anzahl von Manipulatoren im atomaren Maßstab für Mechanosynthese-Verarbeitungssysteme zu bauen, wären selbstreplizierende und universelle Manipulatoren höchst wünschenswert. Ein solches Gerät wurde von dem Wissenschaftler, der es sich ursprünglich vorgestellt hatte, Dr. Eric Drexler, als molekularer Assembler bezeichnet. Drexler veröffentlichte 1986 eine populäre Exposition zu diesem Thema, Engines of Creation, gefolgt von den eher technischen Nanosystemen im Jahr 1992, die eine Reihe von molekularen Maschinen skizziert, die mechanosynthetische Prozesse nutzen.
Wenn ein selbstreplizierender Assembler auf Basis der Kohlenstoff-Mechanosynthese entwickelt werden könnte, könnte ein exponentielles Wachstum aus der Selbstreplikation es ermöglichen, in nur wenigen Dutzend Replikationszyklen Kilogrammmengen zu erzeugen, selbst wenn die molekularen Assembler selbst nur wenige Pikogramm wiegen. Dann könnten die Monteure angewiesen werden, beim Konstruieren von Produkten im Makromaßstab wie Computer, Elektrowerkzeuge und Autos zusammenzuarbeiten.
Durch die Ausnutzung einer präzise gerichteten Konstruktion auf atomarer Ebene könnten diese Produkte mit jedem Atom an einem vorbestimmten Ort gebaut werden. Dies würde Leistungssteigerungen von mehreren Größenordnungen in mehreren Bereichen ermöglichen, wie beispielsweise der Leistungsdichte von Motoren und der Miniaturisierung von Verarbeitungselementen. Unsere derzeitige Maschinerie wird im Vergleich dazu durch relativ grobe Prozesse gebaut und neigt dazu, auf atomarer Ebene relativ desorganisiert zu sein. Diese futuristische Fertigungsmethodik wurde als molekulare Nanotechnologie oder molekulare Fertigung bezeichnet.