ノーベル賞
ノーベル賞の業績への投資 – 量子ドットとナノカラー
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ノーベル賞の歴史
ノーベル賞は科学界で最も権威のある賞です。それは アルフレッド・ノーベル氏の遺言 に基づき、物理学、化学、生理学・医学、文学、平和の分野で「前年度に人類に最大の利益をもたらした者」に賞を授与するために創設されました。
後に、スウェーデン中央銀行によって経済科学のための第6の賞が創設され、正式名称は経済科学賞で、一般にはノーベル経済学賞として知られています。
受賞者の選定は複数のスウェーデン学術機関に委ねられています。
遺産に関する懸念
ノーベル賞を創設する決断は、アルフレッド・ノーベルが自分の死亡記事を読んだことから生まれました。フランスの新聞が彼の兄の死を誤解し、彼の死亡記事を「死んだ死の商人」と題したことで、ノーベルは煙のない爆薬、特に有名なダイナマイトの発明で非難されました。
彼の発明は近代戦争の形を大きく変え、ノーベルは巨大な鉄鋼工場を購入して主要な武器メーカーに転換しました。化学者、エンジニア、発明家としての経歴を持つノーベルは、戦争と他者の死で財を成した人物として記憶される遺産は望まないと悟ったのです。
ノーベル賞
現在、ノーベルの財産は基金に保管され、ノーベル財団や金メッキされた緑色の金メダル、証書、受賞者に授与される1100万スウェーデン・クローナ（約100万ドル）の賞金を賄うための収入を生み出すように投資されています。
出典: Britannica
ノーベル賞の賞金はしばしば複数の受賞者に分配されます。特に科学分野では、2人または3人の主要な研究者が共同または平行して画期的な発見に貢献することが一般的です。
長年にわたり、ノーベル賞は科学界で最も権威ある賞となり、理論的発見と実用的発見のバランスを取ろうとしてきました。現代世界の基礎を築いた業績、例えば放射能、抗生物質、X線、あるいはPCR、さらに太陽のエネルギー源、電子の電荷、原子構造、あるいは超流動性などの根本的な科学も称賛されてきました。
顕微鏡的な色彩
日常生活において、物体は光との相互作用に基づく固有の特性により特定の色を持ちます。太陽光は様々な色のスペクトルを含み、いくつかの色が吸収されることで、異なる反射色が私たちに見えます。
出典: DataColors
これらのメカニズムはナノメートルスケールでは同じようには機能しません。ここでは、電子が原子核の周りに配置される方法を変える量子効果が、材料の光吸収を変え、結果として色が変化します。
より正確には、シュレディンガー方程式 の応用に由来し、粒子が波でもあり粒子でもある量子スケールでの振る舞いを予測します。
1937年、物理学者ハーバート・フレーヒリヒは、シュレディンガー方程式により、ナノ粒子は大きな粒子とは異なる振る舞いをすることを予測しました。特に、粒子が極めて小さくなると、材料中の電子が占める空間が減少し、電子が圧縮されることになります。
光と材料中の電子との相互作用が色を決定するため、量子効果によりナノ粒子の色はサイズ（すなわち電子がどれだけ「圧縮」されているか）に応じて変化すると予測されました。
1930年代の理論から実用化へは時間がかかり、実際に実現したのは1980年代から1990年代にかけてで、3人の科学者が段階的に可能にしました。
2023年、彼らは共同で「量子ドット」と呼ばれる発見につながった研究によりノーベル化学賞を受賞しました.
出典: Nobel Prize
現在、量子ドットは医療、ディスプレイ、QLED製造に利用されており、2021年には40億ドル規模の市場となっています。
量子ドットは、赤外線量子ドットによるがん検出や、全色太陽光システムの創出、さらにはナノフォトニクスによる電子機器製造の新オプションなど、さらに多くの応用で重要になる可能性があります。
古代のガラスから量子物理へ
近代において、科学者は古代からガラス職人が知っていたことを再発見しました：銀、金、カドミウムなどの不純物をガラスに添加することで、さまざまな色の着色ガラスを作ることが可能です。
さらに興味深いのは、同じ添加元素でも、ガラスの加熱・冷却方法に応じて異なる色を生み出すことができる点です。
このノーベル賞の最初の受賞者であるアレクセイ・イェキモフは、半導体業界で使用される光分析装置で着色ガラスを分析し始めました。X線を用いて、銅塩化物で着色したガラスは加熱時間の違いにより、2nmから30nmまでの銅粒子サイズの違いが生じることを発見しました。
興味深い現象として、大きな銅粒子は「通常通り」振る舞う一方で、粒子が小さくなるほど吸収する光が青くなることが分かりました。
出典: Nobel Prize
このようなサイズ依存の量子効果が観測されたのは初めてではありませんが、超高真空や絶対零度に近い温度といった極端な条件ではなく、比較的簡単な製造プロセスで実現されたのは初めてでした。
イェキモフはソビエトの科学誌に結果を発表しましたが、その発見はソ連崩壊まで西側の科学者に届きませんでした。そのため、同時期に西側の科学者も量子ドットの発明につながる発見を行っていました。
懸濁量子ドット粒子
米国のベル研究所（少なくとも10件のノーベル賞を輩出したインキュベーター）で、ルイス・ブルスは太陽エネルギーを利用した化学反応の研究を行いました。彼は硫化カドミウム粒子を溶液中で使用し、反応表面を最大化するために可能な限り小さな粒子を生成しました。
彼が気付いたのは、これらの粒子の光吸収が時間とともに変化することでした。調査の結果、粒子は小さな粒子が集合して凝集し、サイズが4.5 nmから12.5 nmへと成長していることが分かりました。
大きな粒子は硫化カドミウムが通常示す光吸収を示しましたが、より小さな粒子は吸収が青側へシフトしていました。
出典: Nobel Prize
ルイス・ブルスが使用した液体中のコロイド懸濁粒子は、イェキモフがガラスに閉じ込めたものよりもはるかに有用であり、量産や精製が容易でした。
しかしながら、製造方法は非常に不安定で、粒子の最終サイズがほぼ予測不可能なだけでなく、溶液中に複数サイズの混合物が含まれていました。
他の技術や産業規模で使用できる純粋な製品とは程遠く、依然として主に科学的好奇心の対象でした。
量子ドットの大量生産
モウングィ・バウェンディは1988年にルイス・ブルスの研究室でポスドクとして勤務していました。そこで、さまざまな変数を試し、一貫した量子ドットを作り出すために、異なる溶媒、温度、手法の効果を検証しました。ある程度の進展はありましたが、まだ一貫した再現性のある結果には至りませんでした。
その後、MITでの研究中に、ついに有効なレシピを見つけました：
- 必要な量だけの物質を正確に溶液に飽和させるように、溶媒に注入しました。
- これにより、同時に微小な結晶「胚」が形成されました。
- 低温での注入により、結晶形成を即座に停止させることができました。
- その後、温度を段階的に上昇させ、徐々に大きな結晶が形成されるようにしました。
- この工程により、溶媒が結晶に滑らかで均一な表面を与え、光学特性が向上しました。
出典: Nobel Prize
この方法により、ほぼ完璧な量子ドット結晶が得られました。さらに重要なのは、操作が簡単であるため、より多くの化学者が量子ドットの製造と潜在的応用の研究を開始できるようになったことです。
革命的な新しい物質状態
量子ドットが印象的なのは、元素の周期表の利用方法を根本的に変えた点です。
メンデレーエフの周期表では、元素は原子質量と化学的性質に基づいて分類されます。これらの性質は主に各原子核周囲の電子雲の振る舞いによって決まります。
出典: Britannica
元素の電子の振る舞いを変えることで、量子ドットは実質的に周期表に全く新しい次元をもたらしました。したがって、量子ドットの発見と大量生産は、全く新しい電気的・化学的特性を持つ新素材の発見に匹敵します。
これは、ナノチューブやグラフェン、ボロフェン、ゴールデンなど、文明を変える可能性のある2次元材料の増大配列のような、独自の特性を持つ他の材料にやや似ています。
出典: Ossila
量子ドットの応用
QLED
量子ドットの現在最大級の応用の一つがQLED技術（Quantum dot LED）です。
この技術では、量子ドットが青色光を赤や緑に変換し、単一の光源（青色光は2014年にノーベル賞を受賞した青色LED）だけで鮮やかな色彩のディスプレイを実現します。
量子ドットはLEDの光を改善し、寒色光をより心地よい色に変換するためにも使用されます。
光信号
現在、ほとんどの量子ドットはブルスとバウェンディの溶媒ベースの溶液を使用していますが、イェキモフが発見した埋め込み結晶は、例えば光ファイバー通信システムにおける信号増幅にまだ利用されています。
別の方法で生成された量子ドットは後に（Stranski‑Krastanov 成長法）発見され、例えば光通信用の量子ドットレーザーに使用されています。
生化学
その非常に独特で鮮明な色彩により、量子ドットは顕微鏡レベルで対象を追跡するマーカーとして使用できます。
例えば、生化学者はウイルス、DNA、タンパク質などの生体分子に量子ドットを結合させ、簡易的な蛍光顕微鏡でその動きや蓄積を追跡することができます。
出典: Sigma Aldrich
医療
画像化能力により、量子ドットはがん細胞にのみ結合する分子に結合させることで、体内の腫瘍組織を追跡するために使用できます。
出典: Degruyter
量子ドットとがんを「見つける」能力を利用した新興医療分野は光線力学療法です。この分野では、医師が量子ドットで光を吸収させ、熱または反応性化学物質を生成させ、周囲の腫瘍細胞を死滅させます。
しかし、量子ドットは健康な細胞への損傷、体内での分解や凝集、腎臓による排泄が不十分などの副作用を引き起こす可能性があるため、医療での定常的な使用にはさらなる研究が必要です。
化学触媒
量子ドットの発見は、ルイス・ブルスがより優れた触媒、すなわち本来遅い化学反応を加速または可能にする化合物を探求したことに始まります。
そして、光を吸収して本来起こらない化学反応を駆動できるという特性により、量子ドットは依然として重要な応用分野である可能性があります。
出典: ACS
これにより、水を分解して水素を生成したり、CO2を炭化水素化合物に還元したり、他の化学反応を促進したりすることが可能です。
炭素ナノチューブ、フラーレン、グラフェンは、耐水性、調整可能な光ルミネッセンス、低い生体毒性、表面官能化の容易さといった高度な特性により、光触媒として頻繁に使用される炭素量子ドットです。 (SDGR )
エネルギー
量子ドットは最終的に半導体材料であり、サイズに応じてバンドギャップが変化するため、より優れた太陽電池の開発に大きな可能性を持ちます。
出典: Degruyter
量子ドットが太陽電池にもたらす主な利点は、変換可能な太陽スペクトルを拡大できる点です（シリコン太陽電池は高エネルギー光子のみを電力に変換し、太陽エネルギーの70〜75％を「見逃しています」）。
したがって、従来の太陽電池は最大で30〜35％の変換効率に達する見込みですが、量子ドット太陽電池は理論上最大66％の効率が期待されています（以下のQD Solarをご参照）。
量子コンピュータ
より大規模な量子コンピュータの開発競争（「量子コンピューティングの現状」で調査した）において、量子ドットは有用なツールとなり得ます。
量子ドットはコンピュータの基本構成要素であるキュービットとして使用できるほか、単一スピンの局在化・検出に用いられるシステムの部品や、単一光子の優れた光源としても機能します。
量子ドットの製造が現在は十分に理解され、比較的低コストであるため、量子ドットを利用した設計は量子コンピュータの大量生産化と価格低減に寄与する可能性があります。
量子ドットとナノテックへの投資
現在、QLEDは量子ドット最大の市場であり、韓国の大手コングロマリットであるサムスン（子会社サムスン電子 – SSNLF）が市場のリーダーです。
しかし、量子ドット自体は同社全体の事業の中で比較的小さな割合を占めており、メモリ、チップ、センサー、5Gなど様々な半導体分野でも活動しています。そのため、量子ドットは事業の中心ではありません。
量子ドットやナノテック企業への投資は多数のブローカーを通じて可能で、securities.ioでは、米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国々における最適なブローカーの推奨リストをご覧いただけます。
量子ドットやナノテック企業の個別選択に興味がない場合は、ProShares Nanotechnology ETF（TINY）やDirexion Nanotechnology ETF（TYNE）といったナノテクノロジーETFを検討すると、量子ドット・ナノテック株への分散投資が可能です。
または、当サイトの「トップ10ナノテクノロジー株」リストをご覧ください。
量子ドットとナノテック企業
1. Nanoco Group (NANO.l)
ロンドン証券取引所にNANOティッカーで上場しているNanocoは、量子ドットやその他のナノ材料の開発・製造を専門としています。
同社はカドミウムフリー量子ドットのパイオニアで、375件の特許とサムスンとのライセンス提携を有しています。これにより、2021〜2023年にわたるサムスンとの知的財産権訴訟（2年間）が解決し、最終的にNanocoはサムスンから9,000万ドルを受領しました。
したがって、サムスンに似た形で量子ドットへの投資手段を提供しつつ、特にこの技術に強く焦点を当てています。
同社は主にLED応用（OLED、μLED、QD‑EL）に注力していますが、例えば紙幣のセキュリティタグ付けなど新市場の調査も行っています。
出典: Nanoco
同社が投資している別の分野は、Heatwaveという赤外線量子ドットです。これにより非常に高精度な赤外線センサーが実現でき、考えられる応用例は以下の通りです：
- バイオメトリック顔認識。
- 光学診断（酸素濃度、ビリルビン、グルコースの測定）。
- LIDAR
- ナイトビジョン。
同社は2024年に2件の商業生産注文を受け、技術の商業化を開始したばかりです。
Nanocoのカドミウムフリー量子ドット技術は、通常重金属系量子ドットが受け入れられにくい医療・バイオテック分野で非常に有望な応用が期待できます。
2. QD Solar / SunDensity Canada
量子ドット太陽電池の開発者でありこの技術のリーダーであるQD Solarは、最近、太陽電池メーカーのSunDensity Canadaに買収されました。
この買収は太陽光技術におけるゲームチェンジャーとなり得ます。
一方で、QD Solar技術は量子ドットを利用することで高効率を実現します。これにより、パネルは赤外線波長を利用して電力を生成し、可視光の高エネルギー光子はペロブスカイトで吸収します。
出典: QD Solar
他方、SunDensityの技術は特殊なナノコーティングを用いて太陽電池をUVによる劣化から保護し、UV光をより多くの電力に変換するのではありません。
QD Solarの「アクティブアプローチ」は、シリコンPVセルと組み合わせてペロブスカイト層を追加することで実現されます。SunDensityの「パッシブアプローチ」は、入射太陽光のエネルギーを太陽電池が吸収しやすい範囲に効率的にシフトさせるコーティングを使用します。
これらの技術は相補的で、組み合わせることでモジュール効率を40％以上に向上させる可能性があります。
Yahoo Finance
したがって、同一太陽電池パネル内でペロブスカイト（高エネルギー可視光子）、ナノコーティング（UV光）、量子ドット（赤外線光子）を組み合わせることで、太陽電池が達成可能な最大効率が実現できるでしょう。
出典: QD Solar
今後登場が期待される40％効率の太陽電池、さらにはそれ以上の効率は、業界にとってゲームチェンジャーとなる可能性があります。
高効率で耐久性のある太陽電池は、特に宇宙ベースの太陽光発電のような過酷な用途で価値が高いでしょう。
