home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Black Crawling Systems Archive Release 1.0 / Black Crawling Systems Archive Release 1.0 (L0pht Heavy Industries, Inc.)(1997).ISO / blackcrwl / elctrnic / nano101.txt < prev    next >
Text File  |  1991-12-28  |  19KB  |  342 lines

  1.  
  2.  
  3.     Nanotechnology 101:  Where can I find such a course?  
  4.  
  5.  
  6. Many students have asked what they should study to prepare
  7. for careers in nanotechnology. Giving a decent answer requires
  8. outlining the different fields of research that fall under the
  9. nanotechnology umbrella and describing the background knowledge
  10. required to work in them. It also seems wise to say something about
  11. the different levels of knowledge and modes of learning that are
  12. relevant to such a broad, interdisciplinary area. The
  13. following is a personal view, based on what I have learned (and wished
  14. I had learned), and on how learning in these areas seems to work best.
  15.  
  16.  
  17. Fields of research
  18.  
  19. Nanotechnology will mean complete control of the structure of matter,
  20. building complex objects with molecular precision. It doesn't exist
  21. yet, because we don't have molecular assemblers yet. Work related
  22. to nanotechnology accordingly falls into two broad areas: the study of
  23. nanotechnology itself (which must remain theoretical, for the time
  24. being) and research on enabling technologies leading toward assemblers
  25. and nanotechnology (which can be theoretical in part, but which also
  26. has an experimental, developmental component).
  27.  
  28. The theoretical study of nanotechnology involves exploratory
  29. engineering work in any of several of areas. It includes basic studies
  30. in nanomechanical engineering (the study of molecular machines) and
  31. nanoelectrical engineering (the study of molecular and
  32. atomically-precise nanometer-scale electronic systems). It also
  33. includes studies of complex systems, such as assemblers, replicators,
  34. and nanocomputers. More broadly, it includes studies of non-nanoscale
  35. applications, such as large systems built by teams of assemblers.
  36.  
  37. Because we lack the tools to do real nanotechnology today, these
  38. theoretical studies amount to building castles in the air.
  39. Accordingly, there is little funding for such efforts and frequent
  40. skepticism about their value. Nonetheless, such studies can be pursued
  41. with intellectual discipline, yielding firm results and a better
  42. understanding of our choices as a society. They have been my main
  43. focus and have spawned the current interest in
  44. nanotechnology--including the interest in giving these theoretical
  45. castles hardware foundations.
  46.  
  47. Studying what can be done with assemblers yields more foresight than
  48. it does progress; working to develop assemblers yields more progress
  49. than it does foresight. Inevitably, more resources will go into
  50. development than into theory, because technology development will
  51. yield practical, short-term results on the way to long-term
  52. objectives. It makes no practical sense to try to build an assembler
  53. today, but it does make sense to build tools today that will make it
  54. easier to build assemblers tomorrow. These tools are termed
  55. "enabling technologies."
  56.  
  57. Promising enabling technologies fall into several familiar categories.
  58. These include:
  59.  
  60.     protein engineering (involving efforts to develop techniques
  61. for designing molecular devices made of protein),
  62.  
  63.     general macromolecular engineering (involving efforts to
  64. develop techniques for designing and synthesizing molecular devices
  65. made of more tractable materials)
  66.  
  67.     micromanipulation techniques (involving efforts to extend the
  68. technology of scanning tunneling and atomic force microscopy to
  69. chemical synthesis, and then to the construction of molecular
  70. devices).
  71.  
  72. These approaches have differing strengths and weaknesses. Protein
  73. engineering can draw on a host of examples and prototypes from nature,
  74. and can exploit existing self-replicating machines (bacteria) to make
  75. products cheaply--a major consideration, where short-term payoffs
  76. are concerned. General macromolecular engineering avoids the major
  77. problem with protein engineering (proteins, not having been designed
  78. for designability, are hard to design), but at the cost of moving away
  79. from natural prototypes and requiring more expensive chemical
  80. synthesis techniques for making near-term products (thus reducing the
  81. potential market). Micromanipulation techniques promise to ease design
  82. problems by allowing direct construction of molecular objects, but
  83. they suffer from higher costs: a chemical reaction typically makes
  84. many trillions of molecules at once, while a manipulator would make
  85. but one, hence manipulator-made products can be expected to cost
  86. trillions of times more, dramatically reducing the potential market.
  87. Also, as of this writing, micromanipulation has not achieved even a
  88. single chemically-specific step in molecular synthesis, while chemists
  89. have built specific molecules containing thousands of atoms.
  90.  
  91. All the above areas bear watching, and all will be pursued to some
  92. extent, regardless of which ultimately proves to have the biggest
  93. payoff. Hybrid approaches, combining techniques from several of these
  94. areas (e.g., micromanipulation of molecular tools), seem promising.
  95. Finally, improved computational modeling of molecular systems is a
  96. generic enabling technology, relevant to all these approaches.
  97.  
  98. Background fields: molecular science and technology
  99.  
  100. There are, as yet, no college curricula aimed at preparing students
  101. for work in nanotechnology. My own course at Stanford provided at best
  102. an overview of the field. Rather than seeking courses (and books, and
  103. journals) in nanotechnology, one should seek courses (etc.) in the
  104. broad field of molecular science and technology.
  105.  
  106. Unfortunately, there are, as yet, few (if any) schools that treat
  107. molecular science and technology as a unified field. (A note to
  108. curriculum reformers: developing a program having this focus makes
  109. sense in terms of current science and technology, and would provide a
  110. natural home for early studies in nanotechnology.) Students aiming to
  111. gain a solid background in areas important to nanotechnology should be
  112. prepared to shop around from department to department. The following
  113. section lists some of the important topics and some of the departments
  114. in which they are frequently taught.
  115.  
  116. To study science and technology in a serious way, one must have an
  117. adequate background in mathematics. Basic calculus is essential, and
  118. differential equations and linear algebra are widely used. Problems in
  119. nanotechnology vary widely in the mathematical sophistication required
  120. for their solution.
  121.  
  122. The study of physical systems is founded on physics. A knowledge of
  123. basic classical mechanics and electromagnetism is essential, as is a
  124. knowledge of at least the rudiments of quantum mechanics. Anyone
  125. aiming to do any sort of sophisticated work in chemistry and molecular
  126. machines can benefit from deeper knowledge of quantum mechanics;
  127. anyone interested in molecular electronics should make quantum
  128. mechanics a chief focus of study. "Quantum mechanics" is a broad
  129. area, however. The quantum mechanics of interest here is not quantum
  130. electrodynamics, quantum chromodynamics, or superstring theory, but
  131. the garden-variety quantum mechanics of electrons in matter, the sort
  132. studied by chemists and solid-state physicists. Both quantum chemistry
  133. and solid state physics are topics of great relevance to
  134. nanotechnology.
  135.  
  136. As with mathematics, so with physics: problems in nanotechnology vary
  137. widely in the sophistication needed for their solution.
  138.  
  139. Nanomachines and nanoelectronic devices are often greatly influenced
  140. by thermal noise. To understand its effects, one needs knowledge of
  141. thermodynamics and of statistical mechanics. Thermodynamics deals with
  142. the flow of energy and heat in matter in bulk; its principles
  143. constrain all physical systems and its subject matter is regarded as a
  144. prerequisite for the study of statistical mechanics, which describes
  145. much the same territory in a more detailed, molecular fashion. These
  146. topics are often taught in chemistry and physics departments.
  147.  
  148. Nanotechnology can be viewed as an outgrowth of chemistry,
  149. the leading science in the field of molecular devices and molecular
  150. manipulation. Anyone planning serious work in nanotechnology should
  151. seek at least a basic background in chemistry, focusing on its
  152. structural, molecular aspects. Those interested in assemblers and
  153. molecular mechanical devices should study organic chemistry, and those
  154. interested in the chemical-synthesis path to nanotechnology should
  155. study synthetic organic chemistry, and learn the arts of the chemistry
  156. lab.
  157.  
  158. Many specific fields have special relevance. Chemical kinetics and
  159. reaction transition-state theory is of special relevance to assembler
  160. theory. Molecular mechanics is fundamental to any sort of molecular
  161. machine design. Studies in materials science (often considered closely
  162. allied to chemistry) are also of value; materials scientists consider
  163. the mechanical behavior of larger systems of bonded atoms than
  164. chemists typically contemplate.
  165.  
  166. Biology is the leading science in the study of existing molecular
  167. machines. Here, biochemistry is central: enzyme reaction mechanisms
  168. provide examples of what many nanomachines will need to do; the
  169. folding of proteins and the self-assembly of protein systems provide
  170. examples of how complex first-generation molecular machines may be
  171. made. Familiarity with these fields is of considerable importance to
  172. anyone interested in enabling technologies.
  173.  
  174. Although nanotechnologists will need a thorough grounding in relevant
  175. scientific principles, nanotechnology is fundamentally a branch of
  176. engineering. To work as an engineer, one must learn to think as an
  177. engineer, and that means studying (and doing) design. Nanosystems will
  178. be systems, and so the principles of systems engineering apply. Many
  179. nanosystems will be mechanical, and so the principles of mechanical
  180. engineering apply. Studies in solid mechanics, system dynamics,
  181. mechanisms, and control theory all are relevant to both nanotechnology
  182. and enabling technologies. Engineering departments often teach more
  183. specialized topics of relevance to nanotechnology, such as VLSI
  184. circuit design (relevant to nanocomputer design) and microfabrication
  185. (relevant to possible enabling technologies). The principles of
  186. conventional electronic circuit design are applicable to moderately
  187. large nanoelectronic systems, and the principles of quantum
  188. electronics are applicable to the smallest systems.
  189.  
  190. Software systems will be vital to nanotechnology and to enabling
  191. technologies along the way. A basic introduction to computers and
  192. software (preferably not in BASIC) will be of value to anyone in any
  193. area of science or technology. Those interested in software related to
  194. nanotechnology should pay special attention to numerical simulation
  195. methods for molecular mechanical and quantum electronic systems, and
  196. to the design of programs for highly parallel computer systems, since
  197. this is the direction hardware will be moving in the coming years.
  198. Parallel systems will help designers develop nanotechnology, and
  199. nanocomputers will later be used to build massively parallel (trillion
  200. processor and up) computer systems. Finally, if powerful systems are
  201. to be useful in molecular design, they will need to be accessible
  202. through fast, clean, intuitive interfaces that let designers see and
  203. manipulate model molecules.
  204.  
  205. Levels of knowledge
  206.  
  207. "In short, to do good work in nanotechnology, one must master
  208. everything relevant to the physics, chemistry, and engineering of
  209. molecules, from quantum mechanics to advanced software
  210. architectures." Fortunately, this isn't true. Of course, the
  211. more you know, the better you'll do (within limits--studying
  212. mustn't completely displace doing), but one can't master
  213. everything relevant to so broad a field.
  214.  
  215. What one can and should do is try to master some areas and know a lot
  216. about the others. Real molecular devices can do many different things:
  217. they can vibrate, pull apart, shake apart, deform, transform,
  218. photolyse, or pop from state to state--any of these behaviors can
  219. occur in a simple mechanical part, and any can make it fail. Real
  220. physical systems will do something when used, and if what they will do
  221. is strikingly different from what you think they will do, then the
  222. work you're doing may be a waste of time for you and for anyone who
  223. listens to you. It's much better to be right about what will work,
  224. and this means knowing enough to steer clear of potential problems.
  225.  
  226. It makes sense to think in terms of three levels of knowledge about a
  227. field:
  228.  
  229. 1) Knowing what a field is about--knowing what sorts of physical
  230. systems and phenomena it deals with, and what sorts of questions it
  231. asks and answers.
  232.  
  233. 2) Knowing the content of a field in a qualitative sense--having a
  234. good feel for what sorts of phenomena can be important in what
  235. circumstances, and knowing when you need answers from work in that
  236. field.
  237.  
  238. 3) Knowing how to get those answers yourself, based on personal
  239. mastery of enough of the field's subject matter.
  240.  
  241. If one has enough knowledge at levels (1) and (2) in enough fields,
  242. then one can steer clear of problems in those fields while doing work
  243. in a related field where you have knowledge at level (3). And this is
  244. a good thing, because knowledge at levels (1) and (2) takes far less
  245. time to acquire. But to make proper use of knowledge at levels (1) and
  246. (2) requires a harsh discipline: attempt to assume the worst about
  247. what you don't know. Don't assume that a poorly-understood
  248. physical effect will somehow save your design; do assume (until
  249. finding otherwise) that it may utterly ruin it. Without this
  250. discipline, you'll become an intellectual hazard. With it,
  251. you'll be able to make a real contribution.
  252.  
  253. Modes of learning
  254.  
  255. How can one get this sort of general knowledge of a field? Courses can
  256. help, but they tend to focus on mastery of a narrow range of
  257. knowledge, rather than familiarity with a wide range of knowledge. One
  258. can gain this familiarity by reading magazines and journals that offer
  259. broad coverage of science and technology: good choices include
  260. Science, Nature, Science News, Scientific American, and IEEE Spectrum.
  261. Another good tactic is to skim a wide range of books on the new-books
  262. shelf of a science library, on a regular basis, and to do likewise
  263. with a wide range of technical journals.
  264.  
  265. To do all this properly requires the discipline to read what you
  266. don't understand--despite the school-induced reflex which says
  267. "Oh, no! I don't understand, so I'll fail the test--maybe I
  268. should drop this subject!" By reading what you don't understand,
  269. you gain a sense of the patterns of the field--the terms and
  270. abstract relationships, the kinds of problems being addressed, and the
  271. kinds of knowledge required to understand more. And this adds up to an
  272. important sort of understanding. Later, this familiarity makes it much
  273. easier to consult the literature: one knows which disciplines deal
  274. with what problems, and what one needs to study to gain a deeper
  275. understanding. Also, it fills your mind with questions, so that you
  276. can later recognize the answers and have your mind seize them more
  277. firmly.
  278.  
  279. For a thorough grounding in a basic field, classes can be excellent.
  280. If classes aren't available, textbooks can often serve well,
  281. especially if you work many of the problems.
  282.  
  283. In any evolving, interdisciplinary field, you must learn to learn from
  284. books and journals. Learn to use libraries (as horrible as they are,
  285. compared to tomorrow's hypertext publishing systems). Learn to read
  286. skeptically--it is a rare book or journal that doesn't have a few
  287. serious errors, and occasionally publications are utter bilge,
  288. especially in interdisciplinary fields (which too often lack any
  289. discipline at all).
  290.  
  291. Finally, tackle problems. If you can find a professor doing good,
  292. interesting work, consider becoming an apprentice researcher. If not
  293. (or in addition), pursue technical problems that interest you. The
  294. best way to learn is to seek answers to questions that interest you,
  295. and there is no other way to make an original contribution.
  296.  
  297. Learn to criticize ideas, especially your own. Most new ideas are
  298. wrong or inadequate. If you don't reject most of your ideas
  299. promptly, then you're almost surely fooling yourself, and if you
  300. also spread them, you're almost surely polluting the intellectual
  301. world. But if an idea really seems to stand up under testing, try
  302. filling in more details, and criticizing it again.
  303.  
  304. Get criticism from others. Learn to present ideas in discussions,
  305. papers, and talks, and listen to the responses, especially from people
  306. who know relevant fields. If they disbelieve your idea and tell you
  307. why, either understand and refute their criticism, or consider working
  308. on a different idea. If they look at you oddly and change the subject,
  309. consider whether you are perhaps overlooking a really big, basic
  310. problem--are you really familiar with the relevant fields? If they
  311. disbelieve you at first, but can be persuaded, congratulations!
  312. You've probably got hold of something interesting, perhaps even new
  313. and important.
  314.  
  315. Always remember that ideas about real systems must somehow be
  316. disciplined by reality. Experimental work brings its own discipline
  317. from nature, if the experimenter uses good technique. This discipline
  318. is direct and hard to escape. Theoretical work, in contrast, must be
  319. disciplined by knowledge of experimental results and natural law; this
  320. discipline doesn't impose itself, it must be sought out and largely
  321. self-applied. To be a careful thinker, try to understand things in
  322. more than one way: if you get the same answer from physical
  323. calculations and from analogies to known machines and from analogies
  324. to biology, then you're probably right. If all you have is a rough
  325. analogy or a crude calculation, you may well be wrong.
  326.  
  327. Seek out weaknesses in ideas, and build only on ideas that pass
  328. rigorous tests, or you may see the foundations of your thinking later
  329. crumble and dump a year's (or a decade's) work into the trash.
  330. Beware of those who have neither experimental results nor a
  331. theoretician's voluntary discipline; expect them to spout great
  332. streams of plausible nonsense, unconstrained by reality. Don't
  333. become one of these, even if you find that many (ignorant) people are
  334. intrigued and entertained by your wilder imaginings.
  335.  
  336. In short, learn the fundamentals of molecular science and technology.
  337. Survey other relevant knowledge. Learn to learn from books and
  338. journals. Pursue problems, think critically, and learn more. Design
  339. and calculate or experiment. Publish your contribution and add to the
  340. world's knowledge. Good luck.
  341.  
  342.