În chimiosinteză, metoda tradițională (și omniprezentă în natură) de inițiere a reacțiilor chimice, multe milioane sau mai multe dintre moleculele reactante sunt combinate într-un lichid sau vapori, lăsându-le să se ciocnească aleatoriu prin mișcarea termică până când o cantitate suficientă de produși de reacție doriti sunt produs. În schimb, în mecanosinteză, o tehnică avansată de sinteză chimică încă în proces de dezvoltare, sistemele mecanice moleculare care funcționează sub instrucțiuni programate ar aduce împreună o singură moleculă sau atom cu altul, legându-le între ele într-o manieră direcționată și ordonată. Folosind această metodă, reacțiile nedorite ar putea fi evitate, iar debitul de reacție ar putea fi crescut considerabil.
Mecanosinteza rudimentară a fost deja demonstrată cu siliciu în 2003, de către Oyabu et al. Folosind un microscop cu scanare tunel (STM), Oyabu și colaboratorii săi au folosit forța mecanică numai pentru a face și rupe legăturile atomice covalente. Această ispravă a fost realizată la temperaturi criogenice într-un mediu de vid. Mai devreme, în 1988, cercetătorii IBM au scris literele „IBM” cu atomi de xenon pe o suprafață de cupru. Aceasta nu a fost adevărată mecanosinteză, dar a demonstrat fezabilitatea manipulării atomilor individuali cu un STM, un instrument de microscop cu vârf monoatomic. În principiu, se poate face manipularea moleculelor individuale cu un vârf STM, deși automatizarea procesului a fost dificilă.
Pentru ca mecanosinteza să fie altceva decât o curiozitate științifică și să fie utilă pentru construirea de produse practice, ar trebui să se desfășoare într-un mod masiv paralel, utilizând blocuri atomice mai flexibile, cum ar fi carbonul. Pentru a construi numărul necesar de manipulatoare la scară atomică pentru sistemele de procesare a mecanosintezei, ar fi foarte de dorit manipulatoare cu auto-replicare și de uz general. Un astfel de dispozitiv a fost numit un asamblator molecular de către omul de știință care l-a imaginat inițial, dr. Eric Drexler. Drexler a publicat o expoziție populară pe această temă în 1986, Motoarele creației, urmată de Nanosisteme mai tehnice în 1992, care a subliniat o serie de mașini moleculare care exploatează procesele mecanosintetice.
Dacă s-ar putea dezvolta un asamblator cu auto-replicare bazat pe mecanosinteza carbonului, creșterea exponențială din auto-replicare ar putea permite crearea unor cantități de kilograme în doar câteva zeci de cicluri de replicare, chiar dacă asamblatorii moleculari înșiși cântăresc doar câteva picograme. Apoi, asamblatorii ar putea fi direcționați să coopereze în construirea de produse la scară macro, cum ar fi computere, scule electrice și automobile.
Exploatând construcția la nivel atomic direcționată cu precizie, aceste produse ar putea fi construite cu fiecare atom într-un loc predeterminat. Acest lucru ar permite creșteri de performanță de mai multe ordine de mărime în mai multe domenii, cum ar fi densitatea de putere a motoarelor și miniaturizarea elementelor de procesare. Mașinile noastre actuale sunt construite prin procese relativ brute prin comparație și tinde să fie relativ dezorganizate la nivel atomic. Această metodologie de producție futuristă a fost denumită nanotehnologie moleculară sau fabricație moleculară.