Nella chemiosintesi, il metodo tradizionale (e onnipresente in natura) per iniziare le reazioni chimiche, molti milioni o più delle molecole reagenti sono combinate in un liquido o vapore, lasciandole collidere casualmente attraverso il movimento termico fino a quando una quantità sufficiente dei prodotti di reazione desiderati sono prodotto. Al contrario, nella meccanosintesi, una tecnica di sintesi chimica avanzata ancora in fase di sviluppo, i sistemi meccanici molecolari che operano sotto istruzioni programmate riunirebbero una singola molecola o atomo con un altro, legandoli insieme in modo diretto e ordinato. Utilizzando questo metodo, potrebbero essere evitate reazioni indesiderate e il rendimento della reazione potrebbe essere aumentato considerevolmente.
La meccanosintesi rudimentale è stata già dimostrata con il silicio nel 2003, da Oyabu et al. Utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM), Oyabu e i suoi collaboratori hanno utilizzato la sola forza meccanica per creare e rompere legami atomici covalenti. Questa impresa è stata eseguita a temperature criogeniche in un ambiente sotto vuoto. In precedenza, nel 1988, i ricercatori IBM hanno scritto le lettere “IBM” con atomi di xeno su una superficie di rame. Questa non era vera meccanosintesi, ma dimostrava la fattibilità di manipolare singoli atomi con un STM, un microscopio con una punta monoatomica. In linea di principio, è possibile manipolare singole molecole con una punta STM, sebbene l’automazione del processo sia stata difficile.
Affinché la meccanosintesi sia qualcosa di diverso da una curiosità scientifica e sia utile per la costruzione di prodotti pratici, dovrebbe essere eseguita in maniera massicciamente parallela, utilizzando blocchi atomici più flessibili come il carbonio. Per costruire il numero richiesto di manipolatori su scala atomica per i sistemi di elaborazione della meccanosintesi, sarebbero altamente desiderabili manipolatori autoreplicanti e generici. Un tale dispositivo è stato chiamato assemblatore molecolare dallo scienziato che lo aveva originariamente concepito, il dottor Eric Drexler. Drexler ha pubblicato un’esposizione popolare sull’argomento nel 1986, Engines of Creation, seguita dai più tecnici Nanosistemi nel 1992, che ha delineato una gamma di macchine molecolari che sfruttano processi meccanosintetici.
Se si potesse sviluppare un assemblatore autoreplicante basato sulla meccanosintesi del carbonio, la crescita esponenziale dall’autoreplicazione potrebbe consentire la creazione di quantità di chilogrammi in poche decine di cicli di replicazione, anche se gli stessi assemblatori molecolari pesano solo pochi picogrammi. Quindi, gli assemblatori potrebbero essere indirizzati a cooperare nella costruzione di prodotti su macroscala come computer, utensili elettrici e automobili.
Sfruttando la costruzione a livello atomico orientata con precisione, questi prodotti potrebbero essere costruiti con ogni atomo in un luogo predeterminato. Ciò consentirebbe aumenti delle prestazioni di diversi ordini di grandezza in diverse aree, come la densità di potenza dei motori e la miniaturizzazione degli elementi di elaborazione. In confronto, il nostro attuale macchinario è costruito con processi relativamente rozzi e tende ad essere relativamente disorganizzato a livello atomico. Questa metodologia di produzione futuristica è stata denominata nanotecnologia molecolare o produzione molecolare.