En la quimiosíntesis, el método tradicional (y omnipresente en la naturaleza) de iniciar reacciones químicas, muchos millones o más de las moléculas de reactivo se combinan en un líquido o vapor, dejándolas colisionar aleatoriamente a través del movimiento térmico hasta que se produzca una cantidad suficiente de los productos de reacción deseados. producido. Por el contrario, en la mecanosíntesis, una técnica de síntesis química avanzada todavía en proceso de desarrollo, los sistemas mecánicos moleculares que operan bajo instrucciones programadas unirían una sola molécula o átomo con otro, uniéndolos de manera dirigida y ordenada. Utilizando este método, se podrían evitar reacciones no deseadas y se podría aumentar considerablemente el rendimiento de la reacción.
La mecanosíntesis rudimentaria ya fue demostrada con silicio en 2003, por Oyabu et al. Utilizando un microscopio de efecto túnel (STM), Oyabu y sus colaboradores utilizaron la fuerza mecánica sola para crear y romper enlaces atómicos covalentes. Esta hazaña se realizó bajo temperaturas criogénicas en un ambiente de vacío. Anteriormente, en 1988, los investigadores de IBM deletrearon las letras «IBM» con átomos de xenón en una superficie de cobre. Esta no fue una verdadera mecanosíntesis, pero demostró la viabilidad de manipular átomos individuales con un STM, un instrumento de microscopio con una punta monoatómica. En principio, se puede manipular moléculas individuales con una punta STM, aunque la automatización del proceso ha sido difícil.
Para que la mecanosíntesis sea algo más que una curiosidad científica y sea útil para construir productos prácticos, tendría que llevarse a cabo de una manera masivamente paralela, haciendo uso de componentes básicos atómicos más flexibles como el carbono. Para construir el número requerido de manipuladores a escala atómica para los sistemas de procesamiento de mecanosíntesis, serían muy deseables los manipuladores autorreplicantes y de propósito general. Tal dispositivo ha sido llamado ensamblador molecular por el científico que lo imaginó originalmente, el Dr. Eric Drexler. Drexler publicó una exposición popular sobre el tema en 1986, Engines of Creation, seguida de Nanosystems más técnicos en 1992, que describió una gama de máquinas moleculares que explotan procesos mecanosintéticos.
Si se pudiera desarrollar un ensamblador autorreplicante basado en la mecanosíntesis de carbono, el crecimiento exponencial a partir de la autorreplicación podría permitir la creación de cantidades de kilogramos en solo unas pocas docenas de ciclos de replicación, incluso si los ensambladores moleculares solo pesan unos pocos picogramos. Luego, se podría ordenar a los ensambladores que cooperen en la construcción de productos a gran escala, como computadoras, herramientas eléctricas y automóviles.
Aprovechando la construcción a nivel atómico dirigida con precisión, estos productos podrían construirse con cada átomo en un lugar predeterminado. Esto permitiría aumentos de rendimiento de varios órdenes de magnitud en varias áreas, como la densidad de potencia de los motores y la miniaturización de los elementos de procesamiento. En comparación, nuestra maquinaria actual está construida mediante procesos relativamente toscos y tiende a estar relativamente desorganizada a nivel atómico. Esta metodología de fabricación futurista se ha denominado nanotecnología molecular o fabricación molecular.