Pioneering Sustainable Energy and Quantum Electronics 持続可能なエネルギーと量子エレクトロニクスの最前線

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ナノテクノロジーが切り開く未来

東京農工大学・化学物理工学科のBisri研究室は、ナノテクノロジーを駆使し、クリーンエネルギー生成と次世代コンピューティングという二つの世界的課題に挑戦しています。2025年に発表された2編の論文（『米国化学会のACS Applied Energy Materials』と『英国化学会のNanoscale』掲載）では、水素燃料製造と量子デバイスの革新的な成果が示されました。

1. 太陽光で水素を製造：高性能光触媒（繊維状シリカ-チタニアDFNST）

水素エネルギーとは

水素はクリーンな燃料ですが、現在の製造法は化石燃料に依存しています。Bisri Labの解決策は、太陽光による水分解。光触媒を用いて水から水素と酸素を生成します。

研究のハイライト

  • 超効率触媒の設計：チタニア（TiO₂）とシリカ（SiO₂）を組み合わせたDFNSTを開発。木の枝のような構造（デンドリティック）が表面積を最大化し、反応を促進。
  • 結晶相の最適化：TiO₂の結晶相（アナタース、ルチル、混合相）を比較した結果、混合相DFNSTが最高性能を示し、可視光下で306.78 µmol·g⁻¹の水素生成率を達成。
  • 成功のカギ：
    • Si–O–Ti結合：電子の高速輸送路として機能。
    • 親水性：水分子を引き寄せ、反効率向上。
    • 電荷分離：混合相により電子と正孔の再結合を抑制。

実用化への展望

白金などの高価な金属を必要としないため、低コスト・環境負荷の少ない水素製造が可能に。太陽光発電所での昼夜を問わない水素生産も夢ではありません！

2. 量子ドットで拓く次世代トランジスタ：二進法を超える計算

分子固定化PbS量子ドットを用いた共振トンネルトランジスタ

従来の電子デバイスの課題

現代のコンピュータは二進法（0と1）で動作しますが、省エネルギーかつ超高速なデバイスが求められています。多値論理（MVL）—複数の状態（例：0、1、2）で処理する技術—が注目されています。

Bisri Labの量子飛躍

  • ナノスケールのスイッチ：8.1 nmの**硫化鉛（PbS）量子ドット（QD）**を1個だけ用いたトランジスタを開発。量子ドットが電子の「島」として機能。
  • 共振トンネル効果：ジチオール分子（EDT/BuDT）でQDを電極に固定し、**負性微分抵抗（NDR）**を観測。電圧上昇時に電流が減少する現象により、5つの論理状態を実現。
  • メカニズム：
    • フェルミ準位固定：QDと電極の強力な結合がエネルギー準位を固定し、トンネル効果を増幅。
    • 谷分散：PbSの特異な電子構造が多状態を可能に。

未来のコンピューティング

このトランジスタはAIやニューロモルフィックコンピューティングを革新し、脳の効率を模倣したチップの実現に貢献する可能性があります。

学びのポイント

  • 学生向け：結晶相や分子設計といったナノレベルの制御が、現実の問題解決に直結する例です。
  • 研究者向け：触媒表面設計と量子効果の融合が、新たな研究領域を開拓。
  • 産業界向け：DFNSTはグリーン水素の、PbSトランジスタはシリコンを超える省電力チップの基盤技術に。

参考文献

  1. Subagyo, R. 他. ACS Appl. Energy Mater. 2025 https://doi.org/10.1021/acsaem.4c02742
  2. Wulandari, R. D. 他. Nanoscale 2025 https://doi.org/10.1039/d4nr04703f

Bisri Lab continues to push the boundaries of nanotechnology, addressing two critical global challenges: clean energy production and next-generation computing. In 2025, the lab published groundbreaking studies in ACS Applied Energy Materials and Nanoscale, showcasing innovations in hydrogen fuel generation and quantum electronics.

1. Clean Hydrogen Fuel from Sunlight: A Nano-Catalyst Revolution

Dendritic Fibrous Nano Silica-Titania (DFNST): A High-Performance Photocatalyst for Hydrogen Production

Why Hydrogen Matters

Hydrogen fuel is a clean energy source, but current production methods often rely on fossil fuels. The Bisri Lab’s solution? Sunlight-driven water splitting—using photocatalysts to convert water into hydrogen and oxygen.

Key Innovations

  • Designing a Super Catalyst: The team synthesized dendritic fibrous nano silica-titania (DFNST), combining titanium dioxide (TiO₂) with silica (SiO₂). The unique “dendritic” structure resembles branching trees, creating a massive surface area for reactions.
  • Phase Engineering: By testing TiO₂ in different crystal phases (anatase, rutile, and a mixed phase), they discovered that the mixed-phase DFNST outperformed others, achieving a hydrogen production rate of 306.78 µmol·g⁻¹ under visible light.
  • Why It Works:
    • Si–O–Ti Bonds: Act as electron highways between TiO₂ and SiO₂.
    • Hydrophilicity: Attracts water molecules, boosting reaction efficiency.
    • Charge Separation: Mixed-phase TiO₂ reduces energy loss by preventing electron-hole recombination.

Real-World Impact

This catalyst requires no expensive metals like platinum, making it scalable and eco-friendly.

2. Quantum Dots as Next-Gen Transistors: Beyond Binary Computing

Molecularly Anchored PbS Quantum Dots Enable Resonant Tunneling Transistors

The Problem with Today’s Electronics

Modern computers use binary logic (0s and 1s), but demand for faster, energy-efficient devices is skyrocketing. Enter multi-valued logic (MVL), which processes data using multiple states (e.g., 0, 1, 2).

Bisri Lab’s Quantum Leap

  • Tiny Switches, Big Potential: The team built transistors using a single lead sulfide (PbS) quantum dot (QD)—a nanoparticle just 8.1 nm wide. These QDs act as “islands” for electrons.
  • Resonant Tunneling: By anchoring the QD to gold electrodes with dithiol molecules (EDT/BuDT), they observed negative differential resistance (NDR)—a rare phenomenon where current decreases as voltage increases. This enables five distinct logic states in one device.
  • Why It Works:
    • Fermi-Level Pinning: Strong chemical bonds between QD and electrodes lock energy levels, enhancing electron tunneling.
    • Valley Degeneracy: PbS’s unique electronic structure allows multiple energy states, crucial for MVL.

Implications for Computing

Such transistors could revolutionize AI and neuromorphic computing, enabling chips that mimic the human brain’s efficiency.

Educational Takeaways

  • For Students: These studies show how material design at the nanoscale (like adjusting crystal phases or molecule lengths) can solve real-world problems.
  • For Researchers: The synergy between catalyst surface engineering and quantum effects opens new avenues in both energy and electronics.
  • For Industry: DFNST offers a green hydrogen roadmap, while PbS RTTs could replace silicon in future chips.

References

  1. Subagyo, R. et al. ACS Appl. Energy Mater. 2025, 8, 1598–1608. https://doi.org/10.1021/acsaem.4c02742
  2. Wulandari, R. D. et al. Nanoscale 2025, 17, 5672–5680. https://doi.org/10.1039/d4nr04703f