I kemosyntes, den traditionella (och allmänt förekommande till sin natur) metoden för att initiera kemiska reaktioner, kombineras många miljoner eller fler av reaktantmolekylerna i en vätska eller ånga, vilket låter dem slumpmässigt kollidera genom termisk rörelse tills en tillräcklig mängd av de önskade reaktionsprodukterna är produceras. Däremot, inom mekanosyntes, en avancerad kemisk syntesteknik som fortfarande är i utvecklingsprocessen, skulle molekylärmekaniska system som arbetar under programmerade instruktioner sammanföra en enda molekyl eller atom med en annan och binda ihop dem på ett riktat och ordnat sätt. Genom att använda denna metod kunde oönskade reaktioner undvikas, och reaktionsgenomströmningen kunde ökas avsevärt.
Rudimentär mekanosyntes demonstrerades redan med kisel 2003, av Oyabu et al. Med hjälp av ett scanning tunneling microscope (STM) använde Oyabu och hans medarbetare enbart mekanisk kraft för att skapa och bryta kovalenta atombindningar. Denna bedrift utfördes under kryogena temperaturer i en vakuummiljö. Tidigare, 1988, stavade IBM-forskare bokstäverna ”IBM” med xenonatomer på en kopparyta. Detta var inte sann mekanosyntes, men visade möjligheten att manipulera enskilda atomer med en STM, ett mikroskopredskap med en monoatomisk spets. I princip kan man manipulera enskilda molekyler med en STM-spets, även om automatisering av processen har varit svår.
För att mekanosyntes ska vara något annat än en vetenskaplig nyfikenhet och vara användbar för att bygga praktiska produkter, måste den utföras på ett massivt parallellt sätt, med användning av mer flexibla atomära byggstenar som kol. För att bygga det erforderliga antalet manipulatorer i atomär skala för bearbetningssystem för mekanosyntes skulle självreplikerande och generella manipulatorer vara mycket önskvärda. En sådan anordning har kallats en molekylär assembler av forskaren som ursprungligen föreställde den, Dr. Eric Drexler. Drexler publicerade en populär utläggning om ämnet 1986, Engines of Creation, följt av de mer tekniska Nanosystems 1992, som beskrev en rad molekylära maskiner som utnyttjar mekanosyntetiska processer.
Om en självreplikerande assembler baserad på kolmekanosyntes kunde utvecklas, skulle exponentiell tillväxt från självreplikation kunna tillåta att kilogram kvantiteter skapas i endast några dussin replikeringscykler, även om molekylär assemblerarna själva bara väger några få pikogram. Sedan kan montörerna uppmanas att samarbeta för att konstruera produkter i makroskala som datorer, elverktyg och bilar.
Genom att utnyttja exakt riktad konstruktion på atomnivå kan dessa produkter byggas med varje atom på en förutbestämd plats. Detta skulle tillåta prestandaökningar av flera storleksordningar inom flera områden, såsom effekttäthet hos motorer och miniatyrisering av bearbetningselement. Vårt nuvarande maskineri är byggt av relativt grova processer i jämförelse, och tenderar att vara relativt oorganiserat på atomnivå. Denna futuristiska tillverkningsmetod har kallats molekylär nanoteknik eller molekylär tillverkning.