Kemosynteesissä, joka on perinteinen (ja luonteeltaan kaikkialla läsnä oleva) menetelmä kemiallisten reaktioiden käynnistämiseksi, monet miljoonat tai useammat reagoivat molekyylit yhdistetään nesteeseen tai höyryyn, jolloin ne voivat satunnaisesti törmätä lämpöliikkeen läpi, kunnes riittävä määrä haluttuja reaktiotuotteita on tuotettu. Sitä vastoin mekanosynteesissä, kehittyneessä kemiallisessa synteesitekniikassa, joka on vielä kehitysprosessissa, ohjelmoitujen ohjeiden mukaisesti toimivat molekyylimekaaniset järjestelmät yhdistäisivät yhden molekyylin tai atomin toisen kanssa ja yhdistäisivät ne yhteen suunnatulla ja järjestyksellisellä tavalla. Tätä menetelmää käyttämällä ei -toivottuja reaktioita voitaisiin välttää ja reaktiokykyä voitaisiin lisätä huomattavasti.
Alkeellinen mekanosynteesi osoitettiin jo piillä vuonna 2003, Oyabu et ai. Käyttämällä skannaavaa tunnelimikroskooppia (STM) Oyabu ja hänen yhteistyökumppaninsa käyttivät pelkästään mekaanista voimaa kovalenttisten atomisidosten muodostamiseen ja katkaisemiseen. Tämä saavutus suoritettiin kryogeenisissä lämpötiloissa tyhjiöympäristössä. Aiemmin, vuonna 1988, IBM: n tutkijat kirjoittivat kuparipinnalle ksenonatomeja sisältävän kirjaimen “IBM”. Tämä ei ollut todellinen mekaanosynteesi, mutta osoitti, että on mahdollista manipuloida yksittäisiä atomeja STM: llä, mikroskooppityökalulla, jossa on yksiaatominen kärki. Periaatteessa yksittäisten molekyylien manipulointi STM -kärjellä voidaan tehdä, vaikka prosessin automatisointi on ollut vaikeaa.
Jotta mekanosynteesi olisi jotain muuta kuin tieteellinen uteliaisuus ja siitä olisi hyötyä käytännön tuotteiden rakentamisessa, se olisi suoritettava massiivisesti rinnakkain käyttäen joustavampia atomin rakennuspalikoita, kuten hiiltä. Tarvittavan määrän atomimittakaavan manipulaattoreiden rakentamiseksi mekanosynteesin käsittelyjärjestelmiin olisi erittäin toivottavaa itse replikoituvat ja yleiskäyttöiset manipulaattorit. Tällaista laitetta on kutsunut molekyylikokoonpanoksi tiedemies, joka alun perin sen kuvitteli, tohtori Eric Drexler. Drexler julkaisi vuonna 1986 aiheeseen liittyvän suosittua esittelyä, “Luonnon moottorit”, jota seurasi teknisempi Nanosysteemi vuonna 1992, jossa esiteltiin joukko molekyylikoneita, jotka hyödyntävät mekaanisynteettisiä prosesseja.
Jos hiilen mekanosynteesiin perustuva itse replikoituva kokoonpanija voitaisiin kehittää, eksponentiaalinen kasvu itsensä replikaatiosta voisi sallia kilogrammamäärien syntymisen vain muutamassa kymmenessä toistosyklissä, vaikka molekyylikokoonpanijat itse painavat vain muutaman pikogramman. Sitten kokoonpanijat voitaisiin ohjata tekemään yhteistyötä makrotason tuotteiden, kuten tietokoneiden, sähkötyökalujen ja autojen, rakentamisessa.
Hyödyntämällä tarkasti suunnattua atomitason rakennetta, nämä tuotteet voitaisiin rakentaa jokaisesta atomista ennalta määrätyssä paikassa. Tämä mahdollistaisi suorituskyvyn lisäämisen useilla suuruusluokilla useilla alueilla, kuten moottoreiden tehotiheydessä ja prosessielementtien pienentämisessä. Nykyinen koneemme on rakennettu verrattain raa’illa prosesseilla, ja se on yleensä suhteellisen epäjärjestynyt atomitasolla. Tätä futuristista valmistusmenetelmää on kutsuttu molekyylinanoteknologiaksi tai molekyylivalmistukseksi.