非常に小さいため原子のように振る舞うナノ結晶を想像してみてください。ムンギ・G・バウェンディ氏、ルイス・E・ブルス氏、アレクセイ・I・エキモフ氏は、現在量子ドットとして知られるこのような微細な驚異のカテゴリーを発見し、それらを正確に合成する方法を開発した功績により、2023年のノーベル化学賞を受賞した。量子ドットはすでにエレクトロニクスや薬物送達、画像処理、医療診断などの生物医学において重要な役割を果たしており、将来的にはさらに有望な用途があるとノーベル化学委員会は賞の発表で述べた。
人工原子とも呼ばれる量子ドットは、シリコンやその他の半導体材料で作られた精密なナノ結晶で、幅はわずか数ナノメートルです。サイズは原子数百から数千個ですが、個々の原子と同じように量子特性を示すのに十分小さいです。電子はナノ結晶内に特定のエネルギーレベルでトラップされる可能性があるため、ナノ結晶は特定の波長の光のみを放射できます。粒子のサイズを制御することで、研究者は、量子ドットが刺激されたときにどの色に点滅するかを正確にプログラムできます。
今朝のノーベル賞発表の壇上で、ノーベル化学委員会委員長のヨハン・オクヴィスト氏は、それぞれ異なる色に輝く液体が入った一連の5つのフラスコを展示した。流体には、サイズがわずか 100 万分の 1 ミリメートルの量子ドットの溶液が含まれていました。この小さなサイズでは、「量子力学はあらゆる種類のトリックをし始める」とオークヴィスト氏は述べています。
ノーベル化学委員会のメンバーでナノ物理学の教授であるハイナー・リンケ氏は、電子を取り出して狭い空間に押し込むと、電子の波動関数が圧縮されると量子力学が予測していると説明した。空間を小さくすると電子のエネルギーが大きくなり、より多くのエネルギーを光子に与えることができます。本質的に、量子ドットのサイズによって、光る色が決まります。最も小さな粒子は青に輝き、より大きな粒子は黄色と赤に輝きます。
1970 年代までに、物理学者は、量子現象は理論上、超薄膜の場合と同様に、非常に小さなサイズの粒子に関連しているはずであることを知っていましたが、その予測を検証するのは不可能であるように見えました。粒子の特性をマスクする他の材料の内部以外に、粒子を作成および処理する良い方法はないようでした。しかし、1981 年にソビエト連邦の S.I. ヴァヴィロフ国立光学研究所で、エキモフはそれを変えました。銅と塩素の化合物をガラスに添加する際、彼はガラスの色がそれらの添加された粒子のサイズに完全に依存することを発見しました。彼は、量子効果が説明の可能性が高いことをすぐに認識しました。
1983 年、ベル研究所で、ブルースは光を使用して化学反応を引き起こす実験を行っていました。 Brus (現在はコロンビア大学) は、ナノ粒子が溶液中で自由に浮遊している場合でも、ナノ粒子のサイズがその光学特性に影響を与えることに気づきました。 「これが大きな関心を呼び起こしました」とリンケ氏は言いました。
このような粒子の潜在的な光電子的有用性は技術者たちにも失われておらず、彼らはエール大学のマーク・リードの先導に従ってそれらの粒子を量子ドットと呼んだ。しかし、その後 10 年間、研究者たちはこれらの粒子のサイズと品質を正確に制御することに苦労しました。
しかし、1993年に、バウェンディは完璧なナノ粒子を作るための「独創的な化学的方法」を発明した、とオークヴィスト氏は述べた。彼は結晶が形成される正確な瞬間を制御することができ、その後、制御された方法でさらなる成長を停止し、再開することができました。彼の発見により、量子ドットはさまざまな用途で広く役立つようになりました。
これらのナノ粒子の用途は、LED ディスプレイや太陽電池から、生化学や医学におけるイメージングまで多岐にわたります。 「これらの成果は、ナノテクノロジーにおける重要なマイルストーンを表しています」とオークヴィスト氏は述べています。
量子ドットとは何ですか?
これらは人工的に作られた非常に小さいナノ粒子であるため、その特性は量子力学によって支配されます。これらの特性には光の放出が含まれます。放出される光の波長は粒子のサイズのみに依存します。大きな粒子内の電子はエネルギーが低く、赤色の光を放射しますが、より小さい粒子内の電子はエネルギーが高く、青色の光を放射します。
メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン;出典:スウェーデン王立科学アカデミー
研究者は、量子ドットのサイズを調整するだけで、量子ドットからどのような色の光が現れるかを正確に決定できます。これは、異なる色ごとに新しいタイプの分子が必要となる他の種類の蛍光分子の使用に比べて、大きな利点をもたらします。
この制御性の利点は量子ドットの色に限定されません。ナノ粒子のサイズを調整することで、研究者は、ナノ粒子の電気的、光学的、磁気的効果に加え、融点や化学反応への影響などの物理的特性も調整できます。
バウェンディの研究により、どのようにして量子ドットが実用化されたのでしょうか?
1993 年、マサチューセッツ工科大学のバウェンディ氏と彼のチームは、これまで可能であったものよりも正確かつ高品質で量子ドットを製造する方法を開発しました。彼らは、化学前駆体を非常に高温の溶媒に注入することにより、ナノクリスタルを瞬時に成長させる方法を発見した。その後、研究者らは溶媒の温度を下げて結晶の成長を直ちに停止し、極小の結晶の「種」を作成しました。溶液をゆっくりと再加熱することで、ナノ結晶のさらなる成長を制御できる可能性があります。彼らの方法は、望ましいサイズの結晶を再現性よく生成し、さまざまなシステムに適応できました。
量子ドットはどこで使用されていますか?
QLED テレビで番組を見たことがある人なら、これらのナノ粒子が動いているのを見たことがあるでしょう。しかし、それらは生物医学のイメージングや照明にも使用されています。研究者らは、量子コンピューティングと通信、フレキシブルエレクトロニクス、センサー、効率的な太陽電池、太陽燃料の触媒におけるこれらのナノ粒子のさらなる応用を引き続き模索しています。
