2023年ノーベル化学賞：周期表は3次元に

2023年のノーベル化学賞は量子ドットの発見と合成に対して授与されました。この成果はナノテクノロジーと量子力学の融合のモデルであり、その応用は生産や生活に深く関わっています。この記事は、量子ドットのスケール依存性や製造方法を分かりやすく解説した、ノーベル賞受賞内容の公式科学入門です。

翻訳 |董維源

校正 |李ドゥドゥ

ナノテクノロジーに彩りを添える

ムンギ・G・バウェンディ、ルイス・E・ブルス、アレクセイ・I・エキモフの3名は、量子ドットの発見と開発により、2023年のノーベル化学賞を受賞しました。これらの小さな粒子は独特の特性を持っており、現在ではテレビ画面や LED ライトで光を発しています。これらは化学反応を触媒することができ、またその明るい光は外科医のために腫瘍組織を照らすこともできます。

「トト、ここはもうカンザスではないような気がする」は映画『オズの魔法使い』の有名なセリフです。強力な竜巻がドロシーの家を流し、12歳のドロシーはベッドで意識不明のまま残されました。しかし、家が再び着陸し、ドロシーが犬のトトと一緒にドアから出て行くと、すべてが変わりました。突然、彼女は魔法のような色彩豊かな世界にいました。

もし魔法の竜巻が私たちの生活を襲い、あらゆるものがナノメートルサイズに縮小したら、私たちは間違いなくカンザスのドロシーと同じくらいショックを受けるでしょう。私たちの周りのすべてがカラフルになり、すべてが変わります。私たちの金のイヤリングは突然青く輝き、指の金の指輪はルビー色に輝きました。ガスコンロで何かを揚げようとすると、フライパンが溶けてしまうかもしれません。そして、私たちの白い壁（塗料に二酸化チタンが含まれています）は、大量の活性酸素種を生成し始めます。

図 1 量子ドットは、色の光を作り出す新たな機会をもたらします。出典: ヨハン・ヤルネスタッド/スウェーデン王立科学アカデミー

ナノスケールではサイズが重要

ナノの世界では、物事の振る舞いは本当に異なります。物質の大きさが100万分の1ミリメートル単位で測定され始めると、私たちの直感に挑戦する量子効果という奇妙な現象が発生し始めます。 2023年のノーベル化学賞受賞者は、いずれもナノ世界の探究における先駆者たちです。 1980 年代初頭、ルイ・ブルスとアレクセイ・エキモフはそれぞれ独立して、量子効果によって特性が決まる小さなナノ粒子である量子ドットの作成に成功しました。 1993 年、ムンギ・バウェンディは、今日のナノテクノロジーで量子ドットを使用するための重要な前提条件である、極めて高品質な量子ドットの製造方法に革命をもたらしました。

これらの受賞者の研究のおかげで、人類はナノワールドの珍しい特性のいくつかを活用できるようになりました。量子ドットは現在、市販製品に登場し、物理学から化学、医学まで多くの科学分野で使用されていますが、今これについて議論するのは時期尚早なので、まずは2023年のノーベル化学賞の背景にある物語を明らかにしてみましょう。

図 2 量子ドットは、多くの場合、わずか数千個の原子で構成されています。大きさで言えば、量子ドットとサッカーボールは、サッカーボールと地球の大きさに等しい。出典: ヨハン・ヤルネスタッド/スウェーデン王立科学アカデミー

数十年にわたり、ナノワールドにおける量子現象は単なる予測に過ぎませんでした。

アレクセイ・エキモフとルイ・ブルスが最初の量子ドットを作ったとき、科学者たちは量子ドットが理論的には異常な特性を持つ可能性があることをすでに知っていました。 1937 年に物理学者ヘルベルト・フレーリッヒはすでに、ナノ粒子が通常の粒子のようには動作しないと予測していました。彼は、粒子が非常に小さくなると物質内の電子のためのスペースが狭くなるという有名なシュレーディンガー方程式から理論的な結果を導き出しました。あるいは、波であり粒子でもある電子が圧縮されているとも言えます。フレーリッヒは、これが材料の特性に劇的な変化をもたらすことに気づきました。

研究者たちはこの洞察に魅了され、数学的なツールを使ってサイズに依存する多くの量子効果を予測することに成功しました。彼らはこれらの効果を実際に実証するためにも懸命に努力しましたが、ピンの頭よりも百万倍小さいナノ構造を彫る必要があったため、これは言うほど簡単ではありませんでした。

量子効果を利用できると考える人はほとんどいなかった

それにもかかわらず、1970 年代に研究者たちはそのようなナノ構造の作成に成功しました。彼らは分子ビーム技術を使用して、バルク材料の上にナノメートルの厚さの材料コーティングを作成しました。組み立てると、コーティングの光学特性が厚さによってどのように変化するかを示すことができ、これは量子力学の予測と一致する観察結果となった。

これは大きな進歩でしたが、実験には非常に高度な技術が必要でした。研究者たちは超高真空と絶対零度に近い温度を必要としたため、量子力学的現象が実用化されると予想した人はほとんどいなかった。しかし、科学は時々予期せぬ結果をもたらすものであり、今回の転機は古代の発明であるステンドグラスの研究によってもたらされた。

一つの物質でガラスに様々な色を与えることができる

ステンドグラスに関する最も古い考古学的発見は数千年前に遡ります。実験を通して、ガラス職人たちは徐々に色鮮やかなガラスの作り方を理解していきました。彼らは銀、金、カドミウムなどの物質を加え、さまざまな温度で実験して、さまざまな色合いの美しいガラスを作り出しました。

19 世紀と 20 世紀に物理学者が光の光学的特性を研究し始めたとき、ガラス職人の知識が活用されました。物理学者は、特定の波長の光をフィルタリングするために色付きのガラスを使用します。実験を最適化するために、彼らは自分たちでガラスを作り始め、それが重要な洞察につながりました。発見の一つは、単一の物質から全く異なる色のガラスを生成できるということだった。たとえば、セレン化カドミウムと硫化カドミウムの混合物は、ガラスが溶ける温度と冷却方法に応じて、ガラスを黄色または赤色に変えることがあります。最終的に、色はガラス内部に形成される粒子から生じ、粒子のサイズによって色が決まることを証明することができました。

これは基本的に、その年のノーベル賞受賞者の一人であるアレクセイ・エキモフが博士号を取得し、SIヴァヴィロフ国立光学研究所で働き始めたばかりの1970年代後半の知識レベルでした。

アレクセイ・エキモフが色ガラスの秘密を明かす

単一の物質から異なる色のガラスを生成できるという事実は、実際には非論理的であったため、アレクセイ・エキモフの興味をそそりました。カドミウムレッドで絵を描く場合、他の顔料を混ぜない限り、常にカドミウムレッドになります。では、なぜ単一の物質から異なる色のガラスが作られるのでしょうか?

エキモ氏は博士課程の間、マイクロエレクトロニクスの必須要素である半導体を研究しました。この分野では、光学的手法が半導体材料の品質を評価するための診断ツールとして使用されます。研究者たちは物質に光を当て、吸光度を測定します。これにより、物質が何でできているか、その結晶構造がどの程度整っているかが明らかになります。

エキモフはこれらの方法に精通していたため、この方法で色ガラスを調べ始めました。いくつかの予備実験を行った後、彼は塩化銅を添加したガラスを体系的に作ることに決めました。彼は溶融ガラスを1時間から96時間にわたって500℃から700℃の温度に加熱した。ガラスが冷えて固まると、X線撮影します。散乱放射線により、ガラス内に微細な塩化銅の結晶が形成され、製造工程がこれらの粒子のサイズに影響を与えていることが分かりました。いくつかのガラスサンプルでは、​​その大きさはわずか約 2 ナノメートルでしたが、他のサンプルでは 30 ナノメートルにもなりました。

興味深いことに、ガラスの光吸収は粒子のサイズによって影響を受けることがわかりました。最も大きな粒子は塩化銅が通常行うのと同じように光を吸収しますが、粒子が小さくなるほど吸収する光は青くなります。物理学者として、エキモフは量子力学の法則に非常に精通しており、サイズに依存する量子効果を観察したことにすぐに気づきました (図 3)。

図 3 粒子サイズが縮小するにつれて量子効果が現れます。粒子の直径がわずか数ナノメートルになると、電子が利用できる空間は縮小します。これは粒子の光学特性に影響を与えます。量子ドットは光を吸収し、別の波長で放出します。色は粒子の大きさによって異なります。出典: ヨハン・ヤルネスタッド/スウェーデン王立科学アカデミー

量子サイズ依存性を誘発できるナノ粒子である量子ドットを人類が意図的に生成することに成功したのは、これが初めてである。 1981年、エキモフはソ連の科学雑誌に研究結果を発表したが、鉄のカーテンの向こう側の研究者がそれにアクセスするのは困難だった。そのため、1983年にその年のノーベル化学賞を受賞したルイ・ブルスが、流体中の自由粒子の量子サイズ依存性を実証した世界初の科学者となったとき、彼はアレクセイ・エキモフの発見を知らなかった。

ブルスは、粒子の奇妙な性質が量子効果であることを示している

ルイス・ブルスは当時、米国のベル研究所で働いており、彼の長期的な目標は太陽エネルギーを利用して化学反応を起こすことでした。これを実現するために、彼は光を捕らえ、そのエネルギーを使って反応を促進できる硫化カドミウム粒子を使用しました。これらの粒子は溶液中に浮遊しており、化学反応が起こる表面積を増やすために、Brus はこれらの粒子を非常に小さくしています。物質が細かく切り刻まれるほど、周囲の環境にさらされる表面積が大きくなります。

これらの小さな粒子を研究しているとき、ブルス氏は奇妙なことに気づいた。粒子を研究室のベンチにしばらく置いておくと、その光学特性が変わったのだ。彼は粒子が大きくなったのではないかと推測し、その推測を確認するために直径約4.5ナノメートルの硫化カドミウム粒子を作った。次に、ブルス氏は、新しく作製した粒子の光学特性を、直径約 12.5 ナノメートルのより大きな粒子の光学特性と比較しました。大きな粒子は硫化カドミウムと同じ波長の光を吸収しますが、小さな粒子は青色にシフトした波長の光を吸収します (図 3)。

エキモフと同様に、ブルスもサイズに依存する量子効果を観察していることに気づきました。彼は1983年にその研究結果を発表し、その後、他の物質でできた粒子でも同様の結果が得られるかどうかの研究を始めました。結果は同じです。粒子が小さいほど、吸収する青い光が多くなります。

周期表は3次元である

この時点で、あなたは疑問に思うかもしれません。「物質の吸光度がわずかに青色光にシフトしても、なぜ問題になるのでしょうか。なぜこれがそれほど驚くべきことなのでしょうか。」

実際、光学的な変化は物質の特性が完全に変化したことを示しています。物質の光学特性はその電子によって制御されます。これらの電子は、化学反応を触媒したり電気を伝導したりする能力など、物質の他の特性も制御します。そのため、研究者たちは光子吸収の変化を発見したとき、原理的にはまったく新しいタイプの物質を見ているのだと考えました。

この発見の重要性を理解したいなら、周期表が突然 3 次元になったと想像してください。つまり、元素の特性は、その元素が持つ電子殻の数や外殻の電子の数だけでなく、ナノスケールではそのサイズによっても影響を受けるのです。新しい材料を開発したい化学者には、操作すべき別のパラメータがあり、これは確かに研究者の想像力をかき立てます。

ただ一つ問題がありました。Brus 氏がナノ粒子の製造に使用した方法では、予測できない品質の粒子が生成されることが多いのです。量子ドットは小さな結晶（図 2）であり、当時作成できたものには欠陥があり、サイズもさまざまでした。結晶の形成方法を操作すると、粒子が特定の平均サイズを持つようになりますが、研究者が溶液中のすべての粒子をほぼ同じサイズにしたい場合は、粒子を作った後にそれらを分類する必要があります。これは開発を妨げる困難なプロセスです。

ムンギ・バウェンディが量子ドットの生産に革命を起こす

今年のノーベル化学賞の第3回受賞者は、この問題に取り組むことを決意した。ムンギ・バウェンディは1988年にルイ・ブルスの研究室でポスドクとして働き始め、量子ドットの製造方法の改善に多大な努力を払った。彼らは、さまざまな溶媒、制御された温度、技術を使用して、さまざまな物質を使用してよく組織化されたナノ結晶を形成しようとしました。彼らが作った結晶は確かに良くなりましたが、まだ理想的ではありませんでした。

バウェンディは諦めなかった。 MIT で研究リーダーとして働き始めてから、彼はより高品質のナノ粒子を生産するための努力を続けました。画期的な発見は1993年に、研究チームが材料を加熱し、慎重に選んだ溶媒に注入したときに起こった。彼らは飽和溶液を形成するためにちょうど適切な量の物質を注入し、それにより小さな胚が同時に形成され始めました (図 4)。

その後、溶液の温度を動的に変化させることで、ムンギ・バウェンディ氏と彼の研究チームは、特定のサイズのナノ結晶を成長させることに成功しました。このプロセス中、溶媒は結晶に滑らかで均一な表面を与えるのに役立ちます。 Bawendi によって生成されたナノ結晶はほぼ完璧であり、顕著な量子効果を生み出します。この製造方法は使いやすいため、革命的な影響があり、ますます多くの化学者がナノテクノロジーの研究に携わり、量子ドットのユニークな特性を探求し始めています。

図 4 均一なサイズの量子ドットを作製するための Bawendi 法。バウェンディは、セレン化カドミウム粒子を形成できる物質を熱い溶媒に注入した。すぐに小さなセレン化カドミウムの結晶が形成され、冷却剤を加えると結晶の成長が止まりました。溶媒の温度を再び上げると、結晶は再び成長しました。時間が長くなるほど、結晶は大きくなります。画像提供: ヨハン・ヤルネスタッド/スウェーデン王立科学アカデミー

量子ドットの発光特性は商業的に応用される

30年後、量子ドットはナノテクノロジーのツールボックスの重要な部分となり、市販製品にも登場しています。研究者は主に量子ドットを使って色の光を生成します。量子ドットに青い光を当てると、量子ドットは光を吸収し、異なる色を発します。粒子のサイズを調整することで、特定の色の光を放射するようにすることができます (図 3)。

量子ドットの発光特性は、量子ドット発光ダイオード (QLED) 技術に基づくコンピューターやテレビ画面で使用されています。Q は量子ドットを表します。これらのスクリーンでは、2014 年にノーベル物理学賞を受賞した高効率ダイオードを使用して青色光が生成されます。量子ドットは、青色光の色を赤や緑に変えるのに使用されます。これにより、テレビ画面は必要な光の 3 原色を生成できるようになります。

同様に、量子ドットは LED の色温度を調整するために一部の LED ライトでも使用されています。こうすることで、光は日光のように鮮やかになったり、暗くした電球の暖かい光のように落ち着いたりします。量子ドット光は生化学や医学にも応用できる可能性があります。生化学者は、細胞や臓器に印を付けるために生体分子に量子ドットを取り付けます。医師たちは体内の腫瘍組織を追跡するために量子ドットの使用を研究し始めている。化学者は量子ドットの触媒特性を利用して化学反応を促進します。

このように、量子ドットは人類に数多くの利益をもたらしますが、私たちはその可能性を探り始めたばかりです。研究者たちは、将来、量子ドットがフレキシブルな電子機器、小型センサー、より薄い太陽電池、さらには暗号化された量子通信にも貢献する可能性があると考えています。一つ確かなことは、驚くべき量子現象について私たちはまだ学ぶべきことがたくさんあるということです。したがって、冒険を求めている 12 歳のドロシーがいる場合、ナノワールドはたくさんの楽しい機会を提供します。

この記事は以下から翻訳されています:

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/popular-information/

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。