マサチューセッツ工科大学（MIT）が米国エネルギー省（DOE）の資金援助を受けて開発した画期的な技術は、DNAを足場として利用することで、これまで不可能と考えられていた量子ロッドを整列させる事に成功した。これは、桁違いに鮮明なディスプレイや超リアルな仮想現実（VR）装置の新時代を切り拓く可能性を提示するものである。

最新のハイエンド・テレビの中には、すでに2次元（2D）量子ドットのダイナミックな発光特性を利用しているものもあるが、2次元量子ドットと同類の量子ロッドの優れた特性を利用する方法を見つけることは、これまで困難だった。だが、新たな研究によって、この状況が変わったかもしれない。

サイエンス・フィクション（SF)の世界では、ホログラムやバーチャル・リアリティといったものがよく登場する。しかし、現代の技術者たちは、現実のように見え、感じられるホログラムの実現には至っておらず、未だ開発が続けられている状況だ。

加えて、バーチャルリアリティの3Dホログラムとは関係なく、テレビやモニター、あるいはモバイル機器のスクリーンを改良する取り組みも、現在も絶えず続けられている。場合によっては、そうした技術者たちは量子的な領域に答えを求め始めている。というのも、グラフェンや量子ドットのような2次元材料は、その極めて高い強度と耐久性に加えて、光学的特性や電磁気的特性も幅広く備えているからだ。

だが残念なことに、量子ロッドの優れた光学特性（光の偏光と色の両方を制御する能力など）を利用した取り組みは皆無に等しい。どちらも、多くのVRやホログラフィック技術のコンセプトで必要とされる性質であるにもかかわらずだ。

問題は、基本的に細長い量子ドットである量子ロッドは、すべて同じ方向に並ばないと使い物にならないこと、あるいはそれぞれの特性がしばしば相殺されてしまう事にある。そして、量子ロッドを同じ方向に並べることはこれまで不可能に近かった。

今回、DOE、海軍研究局、国立科学財団、陸軍研究局、国立環境衛生科学研究所（NIH）から資金提供を受けているMITの研究者チームは、量子ロッドを整列させるのに非常に効果的で、現在のナノスケール製造技術よりもはるかに低コスト、しかも数分で行える技術を開発したと発表した。それが、DNAを用いた技術なのだ。

DNAの不思議な特性と2次元量子ロッドが出会う

MITのMark Bathe教授（生物工学）はこの15年間、DNAの一見魔法のようなプログラム可能性を利用して、カスタマイズされたドラッグデリバリーデバイスやバイオセンサー、さらには集光デバイスなど、あらゆるものに有用な特定のパターンを持つナノスケールの足場を作ることに取り組んできた。これはDNA折り紙と呼ばれることもあるプロセスで、バテと彼の同僚研究者たちは、量子ロッドを正確な方法で配置し、その光学的特性を利用する巧妙な方法を提供できると期待している。

「量子ロッドの課題のひとつは、“量子ロッドをナノスケールで同じ方向に揃えるにはどうしたらいいか””ということです。量子ロッドが2次元表面上で同じ方向を向いていれば、光とどのように相互作用し、偏光を制御するかという特性は同じになります」と、Bathe教授はプレスリリースの中で説明している。

それが可能かどうか確かめるために、Bathe氏は、『Science Advances』誌に掲載された論文の主執筆者でもあるMITのポスドク、Chi Chen氏とXin Luo氏、材料科学・工学のRobert Macfarlane准教授、23年博士課程のAlexander Kaplan氏、化学教授のMoungi Bawendi氏に協力を仰ぎ、作業に取り掛かった。

幸運なことに、Bathe氏の研究室は最近、研究者が作りたいDNA足場の形状をコンピューターに入力すると、プログラムがその形状に自己集合する正確なDNA配列を素早く計算する方法を開発していた。

整列した量子ロッドの完璧な足場になると思われるパターンを見つけた研究チームは、DNAをナノスケールのロッドに融合させ、ロッドがすでに整列した状態で完璧な足場を成長させる方法を必要とした。

プレスリリースによると、Chen博士は、「DNAを量子ロッドとの混合物に乳化させ、その混合物を急速に脱水することで、DNA分子をロッド表面に緻密な層を形成させる」というカスタマイズされたプロセスを開発した。研究者たちは、このプロセスはわずか数分しかかからなかったと指摘している。これは、これほど小さな粒子にDNAを付着させる現在のどの方法よりもはるかに速い。また、このプロセスを実用化する鍵になるかもしれない。

「この方法のユニークな点は、ナノ粒子表面に親和性のあるあらゆる水を好むリガンドに対して、ほぼ普遍的に適用できる点にあります。この方法を利用することで、製造時間を数日から数分へと大幅に短縮することができました」と、Chen氏は説明する。

次に、DNAの力により、足場は本質的に量子ロッドの周りに自己組織化する。研究者たちは、量子ロッドを特定のパターンで、特定の距離に保持する足場を構築するようDNAをプログラムすることができたので、最終的には、ほぼ完全に整列した量子ロッドの表面を得ることができた。

「量子ロッドは折り紙の上に同じ方向に配置されます。つまり、2次元表面上の自己組織化によって量子ロッドをパターン化し、マイクロLEDのようなさまざまな用途に必要なミクロン・スケールでそれを行うことができるのです。制御可能な特定の方向に配向させることができますし、パズルのピースのように、折り紙が詰め込まれ、自然に組み合わされるので、うまく分離された状態を保つことができます」と、Bathe氏は説明する。

量子ロッド同士が近すぎると、互いの発光特性を “消光”または抑制する傾向があるからだ。

「この論文で説明した方法は、量子ロッドの配置を空間的・方向的にうまくコントロールできるので素晴らしいものです」とMacfarlane氏は説明する。

量子ロッドの足場を組み立てるこの画期的な方法を開発した研究者たちは、超リアルなVRディスプレイなど、あらゆる種類の驚くべき応用に向けた第一歩に過ぎないと言う。

「次のステップは、より階層的で、多くの異なる長さスケールでプログラムされた構造を持つアレイを作ることです。これらの量子ロッド・アレイのサイズ、形状、配置を制御する能力は、あらゆる種類の異なるエレクトロニクス・アプリケーションへの入り口となります」と、Macfarlane氏は言う。

この最新の方法が商業的に実現可能であることが証明されれば、現在利用可能なものよりもかなりリアルに見えるバーチャル環境を作り出すというアイデアが、一気に身近なものになるかもしれない。

論文

• Science Advances: Ultrafast dense DNA functionalization of quantum dots and rods for scalable 2D array fabrication with nanoscale precision

参考文献

• MIT News: Arrays of quantum rods could enhance TVs or virtual reality devices
• via Interesting Engineering: MIT scientists conceive of quantum rods for 3D screens

研究の要旨

量子ドット（QD）や量子ロッド（QR）の2次元（2D）アレイをナノスケールの精度でスケーラブルに作製することは、多くのデバイス応用に求められている。しかし、DNA折り紙を用いたこのようなアレイの自己組織化ベースの作製は、一般的に、QDやQRのDNA官能基化が非効率的であるため、収率が低いという問題を抱えている。さらに、溶液で組み立てたDNA折り紙アレイを、その構造忠実度を維持したまま2Dデバイス基板上に組織化することは困難である。ここでは、脱水・再水和プロセスを用いて有機溶液から高密度DNA結合QD/QRを調製することにより、製造時間を数日から数分に短縮した。我々は、表面支援大規模アセンブリー（SALSA）法を用いて、固体基板上に直接2次元折り紙格子を構築し、QDおよびQRの2次元アレイを配向制御しながら鋳型化した。私たちの製造アプローチは、機能的な2Dフォトニックデバイスのために、ナノスケールの配向および間隔制御が可能なアドレス可能な2D QDおよびQRのスケーラブルで忠実度の高い製造を可能にする。