NYU、暗闇の中で見る環境に優しい方法

October, 8, 2025, New York--ニューヨーク大学タンドン(NYU Tandon)は、赤外線イメージングにおける有毒な重金属に代わる環境に準拠した代替品を開発した。

今日の赤外線検出器に含まれる有毒な重金属が環境規制の下で次第に禁止されるようになっており、赤外線カメラのメーカーは、性能とコンプライアンスのどちらかを選択せざるを得なくなっているとい深刻な問題に直面している。

この規制圧力により、自動運転車、医療画像処理、国家安全保障などの分野での需要が加速している一方で、民間用途における赤外線検出器の広範な採用が遅れている。

ACS Applied Materials & Interfacesに掲載された論文で、ニューヨーク大学タンドン工学部の研究チームは、環境に優しい量子ドットを使用して、水銀、鉛、その他の制限された材料に依存せずに赤外光を検出する潜在的なソリューションを明らかにした。

研究チームは、赤外線検出器の古くからある高価で面倒な処理を覆すコロイド量子ドットを使用している。従来のデバイスは、顕微鏡下でパズルのピースを組み立てるのと同じように、検出器のピクセル全体に原子をほぼ1つずつ配置する、ゆっくりとした超精密な方法で製造される。

代わりに、コロイド量子ドットは、醸造インクのように完全に溶液中で合成され、包装や新聞のロールツーロール製造で使用されるものと同様のスケーラブルなコーティング技術を使用して堆積できる。骨の折れる組み立てから溶液ベースの処理へのこの移行により、製造コストが劇的に削減され、広範な商業アプリケーションへの扉が開かれる。

「赤外線イメージングの需要が爆発的に増加しているのと同じように、環境規制が強化されるという完璧な嵐に直面している」と、NYU Tandon化学生体分子工学科(CBE)の准教授でこの研究の上級著者であるAyaskanta Sahuは話している。「これは、熱画像システムの生産を拡大しようとする企業にとって、大きなボトルネックとなる。」

研究チームが取り組んだもう1つの課題は、入射光からの信号を中継するのに十分な導電性を量子ドットインクにすることだった。チームは、量子ドット表面の化学的性質を調整して電子デバイスの性能を向上させる溶液相リガンド交換と呼ばれる技術を使用してこれを達成した。ひび割れや不均一なフィルムが残ることが多い従来の製造方法とは異なり、この溶液ベースのプロセスは1つのステップで滑らかで均一なコーティングが得られ、スケーラブルな製造に最適である。

その結果、マイクロ秒の時間スケールで赤外線に反応し(比較のために、人間の目は数百倍遅い速度でまばたきする)、ナノワットの光と同じくらい微弱な信号を検出できるという驚くべき性能を示している。

「私が興奮しているのは、長い間、実際のデバイスには難しすぎると考えられていた材料を、より競争力のあるものにするために設計できることだ」と、この研究の筆頭著者である大学院研究員のShlok J. Paulは話している。「時間が経てば、この材料は、そのようなタスク用の材料がほとんど存在しない赤外線スペクトルでより深く輝く可能性がある。」

この研究は、銀ナノワイヤを使用して新しい透明電極を開発したのと同じ主任研究者による以前の研究に追加される。これらの電極は、電気信号を効率的に収集しながら、赤外線に対して高い透明度を保ち、赤外線カメラシステムの1つのコンポーネントに対応している。

これらの開発は、以前の透明電極の研究と組み合わせることで、赤外線イメージングシステムの両方の主要コンポーネントに対処する。量子ドットは環境に準拠したセンシング機能を提供し、透明電極は信号の収集と処理を処理する。

この組み合わせは、広範囲にわたる高性能検出と、数百万の個々の検出器ピクセルからの信号読み出しを必要とする大面積赤外線イメージングアレイの課題に対処する。透明な電極により、光が量子ドット検出器に到達すると同時に、信号抽出のための電気経路が提供される。

「Teslaやスマートフォンに搭載されているすべての赤外線カメラには、コスト効率を維持しながら環境基準を満たす検出器が必要である。われわれのアプローチは、これらのテクノロジーをより利用しやすくするのに役立つ可能性がある」(Sahu)。

性能は、一部の測定で最高の重金属ベースの検出器にはまだ及ばない。しかし、研究チームは、量子ドット合成とデバイス工学の継続的な進歩により、このギャップが縮小できると期待している。