TED日本語 - ジョージ・トレウスキ: ナノテクノロジーの次の一歩


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TED日本語 - ジョージ・トレウスキ: ナノテクノロジーの次の一歩

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The next step in nanotechnology


George Tulevski






Let's imagine a sculptor building a statue, just chipping away with his chisel. Michelangelo had this elegant way of describing it when he said, "Every block of stone has a statue inside of it, and it's the task of the sculptor to discover it." But what if he worked in the opposite direction? Not from a solid block of stone, but from a pile of dust, somehow gluing millions of these particles together to form a statue.

I know that's an absurd notion. It's probably impossible. The only way you get a statue from a pile of dust is if the statue built itself -- if somehow we could compel millions of these particles to come together to form the statue.

Now, as odd as that sounds, that is almost exactly the problem I work on in my lab. I don't build with stone, I build with nanomaterials. They're these just impossibly small, fascinating little objects. They're so small that if this controller was a nanoparticle, a human hair would be the size of this entire room. And they're at the heart of a field we call nanotechnology, which I'm sure we've all heard about, and we've all heard how it is going to change everything.

When I was a graduate student, it was one of the most exciting times to be working in nanotechnology. There were scientific breakthroughs happening all the time. The conferences were buzzing, there was tons of money pouring in from funding agencies. And the reason is when objects get really small, they're governed by a different set of physics that govern ordinary objects, like the ones we interact with. We call this physics quantum mechanics. And what it tells you is that you can precisely tune their behavior just by making seemingly small changes to them, like adding or removing a handful of atoms, or twisting the material. It's like this ultimate toolkit. You really felt empowered; you felt like you could make anything.

And we were doing it -- and by we I mean my whole generation of graduate students. We were trying to make blazing fast computers using nanomaterials. We were constructing quantum dots that could one day go in your body and find and fight disease. There were even groups trying to make an elevator to space using carbon nanotubes. You can look that up, that's true. Anyways, we thought it was going to affect all parts of science and technology, from computing to medicine. And I have to admit, I drank all of the Kool-Aid. I mean, every last drop.

But that was 15 years ago, and -- fantastic science was done, really important work. We've learned a lot. We were never able to translate that science into new technologies -- into technologies that could actually impact people. And the reason is, these nanomaterials -- they're like a double-edged sword. The same thing that makes them so interesting -- their small size -- also makes them impossible to work with. It's literally like trying to build a statue out of a pile of dust. And we just don't have the tools that are small enough to work with them. But even if we did, it wouldn't really matter, because we couldn't one by one place millions of particles together to build a technology. So because of that, all of the promise and all of the excitement has remained just that: promise and excitement. We don't have any disease-fighting nanobots, there's no elevators to space, and the thing that I'm most interested in, no new types of computing.

Now that last one, that's a really important one. We just have come to expect the pace of computing advancements to go on indefinitely. We've built entire economies on this idea. And this pace exists because of our ability to pack more and more devices onto a computer chip. And as those devices get smaller, they get faster, they consume less power and they get cheaper. And it's this convergence that gives us this incredible pace.

As an example: if I took the room-sized computer that sent three men to the moon and back and somehow compressed it -- compressed the world's greatest computer of its day, so it was the same size as your smartphone -- your actual smartphone, that thing you spent 300 bucks on and just toss out every two years, would blow this thing away. You would not be impressed. It couldn't do anything that your smartphone does. It would be slow, you couldn't put any of your stuff on it, you could possibly get through the first two minutes of a "Walking Dead" episode if you're lucky --


The point is the progress -- it's not gradual. The progress is relentless. It's exponential. It compounds on itself year after year, to the point where if you compare a technology from one generation to the next, they're almost unrecognizable. And we owe it to ourselves to keep this progress going. We want to say the same thing 10,20,30 years from now: look what we've done over the last 30 years. Yet we know this progress may not last forever. In fact, the party's kind of winding down. It's like "last call for alcohol," right? If you look under the covers, by many metrics like speed and performance, the progress has already slowed to a halt. So if we want to keep this party going, we have to do what we've always been able to do, and that is to innovate.

So our group's role and our group's mission is to innovate by employing carbon nanotubes, because we think that they can provide a path to continue this pace. They are just like they sound. They're tiny, hollow tubes of carbon atoms, and their nanoscale size, that small size, gives rise to these just outstanding electronic properties. And the science tells us if we could employ them in computing, we could see up to a ten times improvement in performance. It's like skipping through several technology generations in just one step.

So there we have it. We have this really important problem and we have what is basically the ideal solution. The science is screaming at us, "This is what you should be doing to solve your problem." So, all right, let's get started, let's do this. But you just run right back into that double-edged sword. This "ideal solution" contains a material that's impossible to work with. I'd have to arrange billions of them just to make one single computer chip. It's that same conundrum, it's like this undying problem.

At this point, we said, "Let's just stop. Let's not go down that same road. Let's just figure out what's missing. What are we not dealing with? What are we not doing that needs to be done?" It's like in "The Godfather," right? When Fredo betrays his brother Michael, we all know what needs to be done. Fredo's got to go.


But Michael -- he puts it off. Fine, I get it. Their mother's still alive, it would make her upset. We just said, "What's the Fredo in our problem?" What are we not dealing with? What are we not doing, but needs to be done to make this a success?" And the answer is that the statue has to build itself. We have to find a way, somehow, to compel, to convince billions of these particles to assemble themselves into the technology. We can't do it for them. They have to do it for themselves. And it's the hard way, and this is not trivial, but in this case, it's the only way.

Now, as it turns out, this is not that alien of a problem. We just don't build anything this way. People don't build anything this way. But if you look around -- and there's examples everywhere -- Mother Nature builds everything this way. Everything is built from the bottom up. You can go to the beach, you'll find these simple organisms that use proteins -- basically molecules -- to template what is essentially sand, just plucking it from the sea and building these extraordinary architectures with extreme diversity. And nature's not crude like us, just hacking away. She's elegant and smart, building with what's available, molecule by molecule, making structures with a complexity and a diversity that we can't even approach. And she's already at the nano. She's been there for hundreds of millions of years. We're the ones that are late to the party.

So we decided that we're going to use the same tool that nature uses, and that's chemistry. Chemistry is the missing tool. And chemistry works in this case because these nanoscale objects are about the same size as molecules, so we can use them to steer these objects around, much like a tool. That's exactly what we've done in our lab. We've developed chemistry that goes into the pile of dust, into the pile of nanoparticles, and pulls out exactly the ones we need. Then we can use chemistry to arrange literally billions of these particles into the pattern we need to build circuits. And because we can do that, we can build circuits that are many times faster than what anyone's been able to make using nanomaterials before. Chemistry's the missing tool, and every day our tool gets sharper and gets more precise. And eventually -- and we hope this is within a handful of years -- we can deliver on one of those original promises.

Now, computing is just one example. It's the one that I'm interested in, that my group is really invested in, but there are others in renewable energy, in medicine, in structural materials, where the science is going to tell you to move towards the nano. That's where the biggest benefit is. But if we're going to do that, the scientists of today and tomorrow are going to need new tools -- tools just like the ones I described. And they will need chemistry. That's the point. The beauty of science is that once you develop these new tools, they're out there. They're out there forever, and anyone anywhere can pick them up and use them, and help to deliver on the promise of nanotechnology.

Thank you so much for your time. I appreciate it.


彫刻家がのみだけを使って 彫像を彫っていくのを 想像してみましょう ミケランジェロは こんなエレガントな例えをしています 「どんな石にもその内側に 彫像があって 彫刻家の使命とは それを発見することだ」 でも 彼が反対方向から 作業したらどうでしょうか? 石の塊からではなくて 埃の山を使って この何百万もの粒子を固めて 彫像を作ったとしたらどうでしょうか

ばかげているということは 分かっています 恐らく不可能でしょう 埃の山から彫像を作るだなんて もし彫像が自ら ― 何とか何百万もの粒子を集めて 彫像を作らせるだなんて

奇妙に聞こえるでしょうが これこそが私の研究室で 手掛けている問題なんです 私は石ではなくて ナノマテリアルで作成します これはあり得ないほど小さく 素晴らしい小さな物質です このコントローラーが ナノ粒子だとすると ヒト髪の毛はこの部屋全体位の 大きさになります そして これはナノテクノロジーと呼ばれる 分野の中心であり 皆さん聞いたことがあると思います すべてに変化をもたらすということも 聞いたことがあるでしょう

私が大学院生だった頃は ナノテクノロジー研究には 最もエキサイティングな時代でした 科学的なブレークスルーが 常に起こっていました 会議は熱気に満ち ファンド会社から 資金がつぎ込まれました その理由は 物体が非常に小さい場合 私たちが目にするような 通常の物体を司る物理とは まったく異なる物理が働くからです この物理学を量子力学と呼んでいます このことは例えば いくつかの原子の追加や除去 物質をひねるといった 比較的些細な変更で これらの振る舞いをきっちりと 調整できるわけです いわば 究極のツールキットなんです 本当に力を感じ 何でもできるような気がしました

私たちが行っていたことは ― 私たちとは 同世代の大学院生全員のことですが ナノマテリアルで超高速の コンピューターを作ろうとしていたのです 私たちは量子ドットを構築して いつの日か 体内で 病気と闘うことや 宇宙に向かうエレベーターを カーボンナノチューブで 作ろうとしたグループもいました 探してみてください 本当ですよ 私たちはコンピューティングから 医学に至るまで 科学や技術のあらゆる分野に影響を 与えるだろうと考えていました ここで 認めなくてはなりませんが 私は何でも鵜呑みにしていました 何もかもです

しかし それは15年前のことで そして 本当に素晴らしい科学の研究が なされました 私たちは多くのことを学びました この科学を新たな技術へと 転換すること ― 本当に人にインパクトを与えるような 技術にはできなかったのです その理由は これらのナノマテリアルが ― 両刃の剣のような物だからです ナノマテリアルはその大きさにより 興味深い一方で その大きさが作業を行うことを 拒んでいたのです 文字どおり埃の山で 彫像を作成するようなものでした そして その作業を行うことが可能な 大きさのツールがありませんでした もしあったとしても さして変わらなかったでしょう 何百万もの粒子ひとつひとつを 組み立てるという 技術を構築できなかったからです そのため どの約束や期待も 果たされない約束や期待でしか ありませんでした 病気と闘うナノボットは存在せず 宇宙エレベーターも存在せず 私が最も関心を寄せていた 新種のコンピューティングもありません

最後にこれが一番大切なことですが 私たちはコンピューティングの発展が 永遠に続くと期待するようになるのです 経済はすべてこの考え方に 基づいていて このペースが存在しています それは コンピューターチップに より多くの機器を詰め込む 能力があるからです 機器が小さくなっていくにつれて より速く より省電力になり 価格が下がっていきます そしてこの収束により 素晴らしいペースが得られます

一例として挙げると 3人の宇宙飛行士を月面に送った 部屋程度の大きさのコンピューターの場合 それを何とか圧縮して ― 当時最高だったコンピューターを 圧縮して スマホと同じぐらいの 大きさにしたとすると ― そうです あのスマホです 300ドル払って2年ごとに 捨ててしまう物のことです こちらの方が優れています 驚きもしないことでしょうね スマホでは可能なことも これではムリだったんです 速度は遅いし 大したことは何もできません 「ウォーキング・デッド」の最初の2分間を 乗り越えるのも 難しいと思います もしあなたにツキがあれば ―


ここでのポイントは進歩です ― 徐々に進むものではなく 進歩は容赦ないのです 指数関数的です 毎年それ自身に積み重なっていき ある技術を次世代の技術と比べると 同じ技術だと識別できないぐらい 進んでしまうのです 私たちはこのペースの維持に拠っているのです これと同じことが今後 10、20、30年にも言えます この30年で実現したことを見てみましょう しかし この進歩は 永遠に続くわけではないでしょう いつかパーティはお開きになります 「飲物のラストオーダーです」という 感じですね 速度や性能などの多くの指標で 見てみると 既に進歩はほとんど停止しています このパーティを続けていこうと思うなら 自分たちでできる事をしなくてはなりません つまり革新していくことです

私たちのグループの役割と使命は カーボンナノチューブを使って 革新していくことです そうすればこのペースを 維持できると考えられるからです その名の通りのものです 小さくて穴のあいた 炭素原子のチューブです このナノスケールサイズという 大きさが 素晴らしい電子状態を生み出します もしコンピューティングに これを導入できれば 性能が最大10倍に上昇します たった一歩で数世代分の技術を 飛び越えるようなものです

私たちにはそれがあります 非常に重要な問題があり 基本的に理想的な解決策です 科学が私たちに向かって 声を張り上げています 「自分で問題を解決するんだ」 さあ 始めましょう 実行しましょう しかし ここで両刃の剣が再登場してきます この「理想的な解決策」は 作業不可能な物質を含んでいます コンピュータチップ1つを作るには 何十億ものマテリアルを並べます またもや同じ謎です ここでもあの問題にぶつかるのです

「ここで止まるんだ 同じ道に進んではいけない 何が欠けているのかを考えるんだ 私たちは何をしていないのか 必要なのことは何だろう?」と問うのです これは「ゴッドファーザー」みたいですよね 兄のフレドがマイケルを裏切った時 なすべきことは誰もが分かっていました フレドを亡き者にするのです


しかし マイケルはそうはせず 分かったとだけ言いましたね 母親はまだ生きているのですから 大ごとになります 私たちは言いました 「私たちの問題のフレドとは何だ?」 対処していないことは何だろう? 何が足りないんだろう 成功させるのに 必要なこととは何だろう?」 彫像が自ら構築を 行わなければならないのです 私たちは何十億もの粒子が 自分自身で技術を組み立てる方法を 何とか見つけなければなりません 私たちにはできないので 自分たちで行うようにするのです 非常に難しく 些細なことではありませんが この場合 それが唯一の方法でした

今分かったことは これは何も特殊な問題ではないことです 私たちはこんな方法で何かを組み立てたりはしません 誰もこんな方法で組み立てたりはしないのです でも 見回してみると ― 至るところにお手本がありました 母なる自然が選んだ方法です どんな物でも下流から作られていきます 浜辺へ行けば シンプルな生命体が タンパク質を使って 基本的に分子です ― 本質的には砂であるものをテンプレートとして 海からそれをくみ上げることで 実に多様な構造を構築しています 自然は私たちのように荒削りではなく 便利に利用するのです 自然はエレガントで スマートです 手に入るもので 分子をひとつずつ組み立てて 複雑さと多様性のある 構造を作り上げるのです 自然は既にナノの世界でした 何億年も前から存在していました パーティに乗り遅れていたのは 私たちだったのです

私たちも自然と同じツールを 使うことに決めました それが化学だったのです 化学こそが失われたツールでした このケースでは化学がうまく作用しました ナノスケールの物質と 同じぐらいの大きさなので 分子をツールとして用いることで 物質を操作できます これがまさに私たちの 研究室で行っていることです 私たちは埃の山やナノ粒子に作用する 化学を開発して 必要なものを取り出します 化学を使って文字どおり何十億もの粒子を 回路の構築に必要なパターンへと並べます これが実現できれば ナノマテリアルを使う前の何倍もの速度の 回路を構築できるのです 化学こそ失われたツールであり 日に日に私たちのツールは シャープで的確になっていき そして ついに ― あと数年でこれまでの約束の いずれかを実現できると見込んでいます

コンピューティングは ほんの一例です 私が興味を持ち グループが注力しているものです その他にも再生可能なエネルギー 医学 建築資材があり ナノに向かっていくということを 科学が示唆しています そこに最大の利益があります でもそれを行うには 科学者には新しいツールが必要です 私が今説明したようなツールです 化学が必要になります これがポイントです 科学の美点は この新しいツールをひとたび開発すれば そこに存在し続けることです 永遠に存在し続けて どこでも誰でも それを拾い上げて使うことができ ナノテクノロジー実現の 手助けとなることです

お時間を頂き 本当にありがとうございました


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