「量子ドット」とは何か?ノーベル化学賞が授与された研究について専門家が解説

The Conversation
投稿日
2023年10月8日 9:27
quantum dots

2023年のノーベル化学賞は、ナノテクノロジーの研究に対して授与される初めてのノーベル賞ではない。しかし、この栄誉に関連する技術の応用としては、おそらく最も華やかなものだろう。

今年のノーベル賞は、量子ドットの発見と開発に対してMoungi BawendiLouis Brus、そしてAlexei Ekimovが受賞した。長年にわたり、この精密に作られたナノメートルサイズの粒子(直径は人間の髪の毛の数十万分の1)は、ナノテクノロジーの売り込みやプレゼンテーションの寵児だった。ナノテクノロジーの研究者でありアドバイザーである私は、開発者、政策立案者、擁護団体などと、このテクノロジーの将来性と危険性について話す際に、量子ドットを使ったこともある

ナノテクノロジーの起源は、Bawendi、Brus、Ekimovの量子ドットに関する研究よりも古く、物理学者のRichard Feynmanは1959年の時点で、ナノスケールのエンジニアリングによって何が可能になるかを推測していたし、Erik Drexlerのようなエンジニアは1980年代に原子レベルの精密な製造の可能性について推測していた。しかし、今年のノーベル賞受賞者3人組は、材料科学のブレークスルーを実用化し始めた、現代ナノテクノロジーの最も初期の波の一部であった。

量子ドットは鮮やかに蛍光を発する:ある色の光を吸収すると、ほぼ瞬時に別の色として再放出するのだ。量子ドットの小瓶に広いスペクトルの光を当てると、鮮やかな単一色で輝く。量子ドットが特別なのは、その色がドットの大小によって決まることだ。小さくすれば強烈な青色になる。ナノスケールとはいえ大きくすると、色は赤にシフトする。

この特性により、大きさの異なる量子ドットが入った小瓶がずらりと並び、一方の端が印象的な青色から、緑やオレンジを経て、もう一方の端が鮮やかな赤色へと変化する、目を見張るような画像が数多く見られるようになった。ナノテクノロジーの威力を示すこのデモンストレーションは人目を引くため、2000年代初頭、量子ドットはナノテクノロジーの奇妙さと新しさを象徴するものとなった。

しかしもちろん、量子ドットは視覚的に魅力的なお座敷芸以上のものである。量子ドットは、原子や分子間の化学結合を利用するのではなく、物質の物理的形状を工学的に変化させることで、例えば物体の大きさ、形状、構造を変えることで、物質と光の間のユニークで制御可能かつ有用な相互作用を実現できることを示している。この違いは重要であり、現代のナノテクノロジーの核心でもある。

化学結合をスキップし、量子物理学に頼る

物質が吸収、反射、放出する光の波長は、通常、その構成原子を結びつける化学結合によって決まる。材料の化学的性質を弄れば、これらの結合を微調整して、望みの色が得られるようにすることができる。例えば、初期の染料はアニリンのような透明な物質から始まり、化学反応によって好みの色合いに変化した。

これは光と色を扱う効果的な方法だが、結合が劣化するにつれて、時間の経過とともに色あせる製品にもつながる。また、人体や環境に有害な化学物質を使用することも多い。

量子ドットは違う。吸収・放出する光の波長を化学結合に依存するのではなく、半導体材料の非常に小さなクラスターに依存するのだ。どのような波長の光を放出するかは、これらのクラスターの量子物理学が決定する。

大きさを変えるだけで、物質がどのように振る舞うかを調整できるこの能力は、量子ドットが生成できる光の強度と質、白化や退色に対する耐性、新規用途、そして(賢く設計すれば)毒性に関して、ゲームチェンジャーとなる。

もちろん、完全に無害な材料はほとんどなく、量子ドットも例外ではない。初期の量子ドットは、例えばセレン化カドミウムをベースにしたものが多く、その構成材料は有毒であった。しかし、量子ドットの潜在的な毒性は、放出や暴露の可能性や代替物質との比較によってバランスを取る必要がある。

量子ドット技術はその初期から、安全性と有用性を進化させ、ディスプレイや照明、センサー、生物医学アプリケーションなど、ますます多くの製品に応用されている。その過程で、その目新しさはおそらく薄れてきている。例えば、最新世代の派手なテレビの宣伝に使われている技術が、どれほど飛躍的な進歩を遂げたものなのかを思い出すのは難しいかもしれない。

しかし、量子ドットは、人々が原子や分子を扱う方法に革命をもたらしつつある技術の変遷において、極めて重要な役割を担っている。

原子レベルでの“ベース・コーディング”

拙著『Films from the Future: the Technology and Morality of Sci-Fi Movies(未来からの映画:SF映画の技術と道徳)』の中で、私は “ベース・コーディング”という概念について書いている。考え方は単純だ:私たちが生きている世界を定義している最も基本的なコードを人々が操作することができれば、私たちはそれを再設計し、再構築し始めることができる。

この考え方は、プログラマーが1,0,1,0という “ベース・コード”を、より高度な言語を通してではあるが使用しているコンピューティングに関しては直感的に理解できる。生物学においても、科学者たちはDNAやRNAの基本コードを読み書きすることにますます習熟している。この場合、アデニン、グアニン、シトシン、チミンの化学塩基をコーディング言語として使用する。

塩基コードを扱うこの能力は、物質界にも及んでいる。この場合、コードは原子や分子で構成され、それらがどのように配置されるかが新しい特性を生み出す。

Bawendi、Brus、Ekimovの量子ドットに関する研究は、このような物質世界のベース・コードの完璧な例である。特定の原子の小さなクラスターを球状の “ドット”に精密に形成することで、そうでなければアクセスできないような新しい量子特性を利用することができた。彼らはこの研究を通して、原子によるコーディングがもたらす変革の力を実証したのである。

彼らは、ますます洗練されたナノスケールのベース・コーディングへの道を開き、それが現在、それなしには不可能であった製品やアプリケーションにつながっている。そして、今日まで続いているナノテクノロジー革命のインスピレーションの一部となった。このような斬新な方法で物質世界を再構築することは、従来の技術で達成できることをはるかに超越している。

この可能性は、1999年に発表された米国科学技術評議会の『Nanotechnology』(原題:Nanotechnology:Shaping the World Atom by Atom(原子で世界を形作る))というタイトルの報告書で、量子ドットについては明確に触れられていないが、原子スケールで材料を設計する能力がいかに大きな変革をもたらすかについて書かれている。

この原子レベルの世界の形成は、まさにBawendi、Brus、Ekimovの3人が画期的な研究を通して目指したものである。彼らは、原子レベルで精密な工学を駆使して小さな粒子の量子物理学を利用した、最初の材料「ベース・コーダー」の一人であり、この意義に対するノーベル委員会の評価は当然のものである。


本記事は、Andrew Maynard氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Quantum dots are part of a revolution in engineering atoms in useful ways – Nobel Prize for chemistry recognizes the power of nanotechnology」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。



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