ナノシスのエンジニアが配位子を用いて完璧な量子ドットを作る方法

サイエンス

6月11日

著：ジョエル・ブレア

2025年6月11日
7 min read

量子ドットには小さな欠陥がある。その答えは、リガンドと呼ばれるさらに小さな分子にある。

文：アダム・コヴァック
イラスト：ジョアン・マーカス・フェリックス

配位子は量子ドットの合成だけでなく、その安定性を維持する上でも重要な役割を果たし、10万時間持続するスクリーンを可能にする。

高度な技術を当たり前のものと思いがちだ。テレビ画面を見ていると、その映像を可能にするために費やされた膨大な量の研究を忘れてしまう。量子ドットを組み込んだディスプレイもそのひとつで、その製造と実装には工学的にかなりの困難が伴う。

そこで登場するのが、ナノシスのQDフォーミュレーション担当ディレクター、デイビッド・オルメイヤーだ。オルメイジャーは、量子ドットの鮮やかな色彩を可能にするプロセスの考案に不可欠な役割を果たしているが、量子ドットを念頭に置いて科学者としてのキャリアをスタートさせたわけではない。むしろ、ポリマー化学を学んだのだ。というのも、彼が指摘するように、「世の中のほとんどの人がポリマーを必要としている」からだ。というのも、彼が指摘するように、"世の中のほとんどすべての人がポリマーを必要としている "からである。

その中には量子ドットも含まれる。ナノシスが作るドットは、フィルムやインクなど様々な物質に組み込まれる。それは、高分子化学者にとって完璧なことなのだ。

「私の専門外の技術にも関わることができましたが、その結果、自分の専門性を生かすことができました」とオルメイジャーは言う。

私がナノシスに入社したのは10年ほど前のことだが、ナノ材料やナノ複合材料を活用する方法は非常に興味深く、さまざまな用途で興味深い製品を作ることができる。"

オルマイヤーは、量子ドットが消費者市場にもたらす効果を大きく考えている。しかし、量子ドットを本来の機能を発揮させるためには、ナノシスのエンジニアはまず、非常に小さく考える必要がある。量子ドットは非常に小さく、その大きさはわずか数ナノメートルである。参考までに、水素原子は約0.1ナノメートル、DNAの二重らせんの幅は約2ナノメートルである。このような極小の物体を扱う場合、科学者は予測できない様々な問題にぶつかる可能性がある。量子ドットの場合、表面積と体積の比率が高いことがその問題の1つである。

「量子ドットは半導体であり、非常に非常に小さい。何が起こるかというと、非常に小さいので、体積に対する表面の比率が非常に高く、表面の電子的特性が材料全体の特性に大きな役割を果たすことになるのです」とオルマイヤーは説明する。「表面に欠陥があると、量子ドットの効率や性能に大きな影響を与えることになります

つまり、量子ドットはその大きさゆえに、電子が内部から表面へと移動することができるということだ。もし表面に欠陥があれば、その電子はそこに留まってしまい、鮮やかで明るい色を可能にするドットの特性を台無しにしてしまう。このような欠陥を放置しておくと、ドットは機能しないか、あるいははるかに非効率的に機能することになる。

「分子の欠陥について話しているのです」とオルマイヤーは言う。「量子ドットの個々の原子で、結合の数が適切でない原子が1つあると、突然、電子の余剰や正孔の余剰が生じ、その結果、量子ドットの電子特性が影響を受けるということです」。

この特殊な粒子サイズの問題に対する答えは、リガンドと呼ばれる有機分子にある。その正確な組成は、量子ドットの表面に現れる原子によって異なる。それらに共通するのは、リガンドが2つの重要な機能を果たすということである。1つ目は、特定の種類のリガンドを使えば、特定のドットのあらゆる問題を解決できるということだ。これは、個々のドットに欠陥が見つかったときに、それを修正するということではなく（ドットの大きさを考えると、それは悪夢だろう）、むしろドットがどのように生まれるかという問題なのだ。量子ドットを合成するために使用される前駆物質のいくつかにはリガンドが含まれている。それらの材料は慎重に測定され、正確な温度にさらされる。量子ドットが出現し成長するとき、量子ドットは基本的にリガンドの海の中を泳いでいる。

量子ドットの表面に過剰な電子があれば、リガンドはその電子と結合することができます」とオルマイヤーは言う。

「表面上の電子が不足している場合、別の種類の配位子がやってきて、電子を提供してその欠陥を修正するのを助けることができる。その結果、量子ドットの電子構造は完全なものとなり、より効果的に動作するようになるのです」。

つまり、リガンドが電子が逃げる穴を塞ぐので、量子ドットはより安定するのだ。リガンドはまた、酸素などの他の分子がドットに侵入するのを防ぐ。リガンドは、量子ドットがその機能を発揮することを可能にするだけでなく、より長い時間発揮することを可能にするのだ。量子ドットを使用した製品は、消費者が消耗する前に、より多くの価値を提供することができる。

テレビ画面が10万時間以上持つように、量子ドットを安定させる戦略があります」とオルマイヤーは言う。

平均的なアメリカ人が1日に2.67時間テレビを見ることを考えると、スクリーンが擦り切れるまでにおよそ100年間ネットフリックスを利用したことになる。

しかし、リガンドは単に固定剤として働くだけではない。配位子はドットを有用なものにするために不可欠な役割も果たしている。オルメイジャーが説明するように、リガンドの分子構造によってドットをさまざまな溶液に混ぜることができるのだ。これによって、ドットの用途はディスプレイ以外にも広がるのだ。

「リガンドは有機分子なので、頭と尻尾があります。リガンドは有機分子なので、頭と尻尾があります」と彼は説明する。通常、尾部は脂肪酸などです。この尾部があることで、量子ドットをさまざまな溶媒、さまざまなポリマー、さまざまな樹脂で処理できるようになるのです」。

残念ながら、これらの脂肪酸リガンドが存在する状態で量子ドットを合成すると、解決しなければならない別の問題が生じる。そのプロセスで使われるリガンドは疎水性で、油の中でしかうまく機能しない。ドットが組み込まれるポリマー自体が疎水性であることを意図しているのなら、これは悪いことではないかもしれない。しかし、ドットがアルコールやその他の液体に溶けなければならないような用途の場合、誤作動を引き起こす可能性がある。

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「アクリル酸エステルなど、極めて疎水性の高いポリマーの多くは、ある程度の極性を有しています。「疎水性のリガンドでは、その種のポリマーやモノマーとの相溶性が不十分なのです。従って、量子ドットがポリマーやモノマーに適合するように、リガンドシェルに極性を導入する必要があるのです」。

これはさらに多くのリガンドで可能だとオルマイヤーは説明する。

「ここでできることは、配位子を変えることです。「元の配位子を別の種類の配位子に置き換えることで、量子ドットが他の種類のものに溶けるようにするのです」。

このプロセスの一例がインクである。量子ドットのユニークな色彩特性がインクに役立つ可能性はかなり明白だ（例えば、量子ドットベースのインクジェット・プリンター）が、多くのインクはわずかに極性のある分子をベースにしており、量子ドットと敵対することになる。オルマイヤーは、ナノシスにはこの問題を解決するプロセスがあると説明する。

量子ドットをインクに溶かすには、量子ドット表面の極性を変える必要があります」と彼は言う。

「それは極性有機溶剤の世界の話だ。量子ドットを本当に水に溶かそうと思ったら、つまり水溶性のアプリケーションを使おうと思ったら、さらに踏み込む必要があります。量子ドットの表面に極性を持たせ、おそらくは電気化学的な電荷を帯びさせなければならないのです」。

オルメイヤーのような人々が化学の進歩を続けているため、量子ドットに使用できるリガンドの数は今も増え続けている。(常に新しい分子を作り出すことができるのです」と彼は熱く語る。）このような技術革新は、量子ドットの未来が文字通り想像を絶するものであることを意味する。オルマイヤーは、現在のところ、リガンドと量子ドット自体の両方で、VRやARディスプレイの改良に使用できるようになるまでには、いくつかの障害があると指摘した。しかし、熱心な研究者たちが懸命に取り組んでいるため、未来は明るい。

「これがどこまで可能なのか、言うのは難しい。「こういったものにはすべて論理的な限界があります。量子ドット合成のリガンド側を担当している私のような人間は、その一線を越える手助けをするために、自分の役割を果たさなければならないだろう」。