home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / nanotech / 691 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-11-20  |  4.4 KB
  1. Path: sparky!uunet!olivea!sgigate!rutgers!igor.rutgers.edu!planchet.rutgers.edu!nanotech
  2. From: landman@hal.com (Howard Landman)
  3. Newsgroups: sci.nanotech
  4. Subject: Energy cost of nano-scale observation
  5. Keywords: energy observe cost molecule Avogadro Planck
  6. Message-ID: <Nov.20.21.16.55.1992.26463@planchet.rutgers.edu>
  7. Date: 21 Nov 92 02:16:56 GMT
  8. Sender: nanotech@planchet.rutgers.edu
  9. Organization: HaL Computer Systems, Inc.
  10. Lines: 87
  11. Approved: nanotech@aramis.rutgers.edu
  12.  
  13. Consider the following scenario: we wish to construct an object massing
  14. 1 kg from molecular building blocks.  During construction, we must
  15. examine the work in progress after each step to be certain that it is
  16. correct.  This requires a vast number of measurements, and, as we know,
  17. measurements require the expenditure of free energy.  Is the energy
  18. cost of such a procedure prohibitive?  To get a handle on this, I ran
  19. the following calculation through a spreadsheet.  You can argue with
  20. some of the assumptions, but I don't think the "real" answer can be
  21. more than a factor of 1,000 away from what I get here.
  22.  
  23. I would like feedback in the form of alternate assumptions or critiques of
  24. the existing ones.
  25.  
  26.          1000 grams (object)
  27.     /      89 grams/mole (for alanine, a simple amino acid building block)
  28.       -------
  29.         11.23 moles
  30.     * 6.0E+23 molecules/mole (Avogadro's number)
  31.       -------
  32.       6.8E+24 molecules
  33.     *       1 photon/molecule (perfect efficiency - must be too low)
  34.       -------
  35.       6.8E+24 photons
  36.     * 3.6E-12 ergs/photon (yellow-green light, 5560 Angstroms)
  37.       -------
  38.       2.4E+13 ergs
  39.     / 1.0E+07 ergs/joule
  40.       -------
  41.       2.4E+06 joules (= watt-seconds)
  42.     /    3600 seconds/hour
  43.       -------
  44.           669 Watt-hours
  45.     /    1000 Watts/kW
  46.       -------
  47.         0.669 kW-hours
  48.     *   0.138 dollars/kW-hour (from my last PG&E bill)
  49.       -------
  50.         0.092 dollars
  51.  
  52. Assumptions:
  53.  
  54. Building block size of alanine.  I think this is conservative for most real
  55. nanotech, which will assemble larger chunks.  However, for Merkle-style
  56. atom-at-a-time construction of diamond with abstraction of hydrogens in
  57. intermediate steps, the effective molecular weight could be 12 or less.
  58.  
  59. Observing with light. There may be other (more or less efficient) ways to
  60. observe.  Propose some.  I chose 5560 angstroms since that is the wavelength
  61. to which the human eye is most sensitive.  Some people have argued that such
  62. a photon can't measure anything smaller than its own wavelength (thus we need
  63. X-rays instead), but I don't buy that.  Fluorescein is smaller than the
  64. wavelength of the light it so efficiently emits, to say nothing of the sodium
  65. D-line.  Once you decide on a wavelength, you get energy by dividing into the
  66. speed of light to get frequency, and multiplying by Planck's constant.
  67.  
  68. Likewise, the perfect quantum efficiency assumed may seem unrealistic
  69. but the real question is free energy per measurement anyway.  Consider a
  70. mechanism in which a hinged lever is pressed against the workpiece, and the
  71. far-end deflection is a (magnified) measure of whether the desired reaction
  72. took place.  This pressing may be done slowly and nearly reversibly.  Can we
  73. thus reduce the required photon energy, by bouncing it off the lever instead
  74. of the workpiece?  Also, a small angular deflection (of, say, a mirror) can be
  75. turned into a large positional difference (of a photon bounced off that mirror).
  76. Consider sticking a mirror on the lever ...
  77.  
  78. A lower bound on the energy cost can be had by considering the equivalence
  79. of information and a change in entropy, and assuming room temperature.  I
  80. haven't run through this one yet.  Clearly, at least one bit of information
  81. is required (good or bad?).
  82.  
  83. The only other assumption is the cost of electricity (and the implicit one
  84. that it can be converted to photons efficiently).  This is probably pretty
  85. good.  Especially if nanotech makes electricity "too cheap to meter". :-)
  86. And gives us really good molecular "LEDs".
  87.  
  88.     Howard A. Landman
  89.     landman@hal.com
  90.  
  91. [Given the existence of nano-scale robot arms for construction, using
  92.  a similar arm as a nano-AFM (or indeed, just another tool on the same
  93.  arm) seems reasonable.  If you build the arm to ask the question right,
  94.  (i.e. with one-bit answer), you can get away with kT ln 2 J per 
  95.  question; the total energy is in the kilojoules rather than the 
  96.  megajoules.  However, this represents a theoretical lower limit,
  97.  and I wouldn't be too surprized if in actual applications Howard's
  98.  figures were closer to the truth.
  99.  --JoSH]
  100.