Dans la chimiosynthèse, la méthode traditionnelle (et omniprésente dans la nature) d’initiation de réactions chimiques, plusieurs millions ou plus de molécules réactives sont combinées dans un liquide ou une vapeur, les laissant entrer en collision aléatoire par mouvement thermique jusqu’à ce qu’une quantité suffisante des produits de réaction souhaités soit produit. En revanche, en mécanosynthèse, une technique de synthèse chimique avancée encore en cours de développement, les systèmes de mécanique moléculaire fonctionnant selon des instructions programmées rassembleraient une seule molécule ou un seul atome avec un autre, les liant ensemble de manière dirigée et ordonnée. En utilisant ce procédé, des réactions indésirables pourraient être évitées et le débit de réaction pourrait être considérablement augmenté.
La mécanosynthèse rudimentaire avait déjà été démontrée avec le silicium en 2003, par Oyabu et al. À l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM), Oyabu et ses collaborateurs ont utilisé la force mécanique seule pour créer et casser des liaisons atomiques covalentes. Cet exploit a été réalisé à des températures cryogéniques dans un environnement sous vide. Plus tôt, en 1988, des chercheurs d’IBM ont épelé les lettres IBM avec des atomes de xénon sur une surface de cuivre. Ce n’était pas une vraie mécanosynthèse, mais démontrait la faisabilité de la manipulation d’atomes individuels avec un STM, un instrument de microscope avec une pointe monoatomique. En principe, il est possible de manipuler des molécules individuelles avec une pointe STM, bien que l’automatisation du processus ait été difficile.
Pour que la mécanosynthèse soit autre chose qu’une curiosité scientifique, et soit utile à la construction de produits pratiques, il faudrait qu’elle soit réalisée de manière massivement parallèle, en utilisant des briques atomiques plus flexibles comme le carbone. Pour construire le nombre requis de manipulateurs à l’échelle atomique pour les systèmes de traitement de mécanosynthèse, des manipulateurs auto-réplicables et polyvalents seraient hautement souhaitables. Un tel dispositif a été appelé un assembleur moléculaire par le scientifique qui l’a imaginé à l’origine, le Dr Eric Drexler. Drexler a publié une exposition populaire sur le sujet en 1986, Engines of Creation, suivie de Nanosystems plus techniques en 1992, qui décrivait une gamme de machines moléculaires exploitant des processus mécanosynthétiques.
Si un assembleur auto-répliquant basé sur la mécanosynthèse du carbone pouvait être développé, la croissance exponentielle de l’auto-réplication pourrait permettre de créer des quantités de kilogrammes en seulement quelques dizaines de cycles de réplication, même si les assembleurs moléculaires eux-mêmes ne pèsent que quelques picogrammes. Ensuite, les assembleurs pourraient être amenés à coopérer dans la construction de produits à grande échelle tels que des ordinateurs, des outils électriques et des automobiles.
En exploitant une construction au niveau atomique dirigée avec précision, ces produits pourraient être construits avec chaque atome à un endroit prédéterminé. Cela permettrait des augmentations de performances de plusieurs ordres de grandeur dans plusieurs domaines, tels que la densité de puissance des moteurs et la miniaturisation des éléments de traitement. Notre machinerie actuelle est construite par des processus relativement grossiers en comparaison, et a tendance à être relativement désorganisée au niveau atomique. Cette méthodologie de fabrication futuriste a été appelée nanotechnologie moléculaire ou fabrication moléculaire.