Wissenschaftler der Universität Tokio haben erstmals die Entstehung von Gold-Nanoclustern im Detail beobachtet und dabei eine unerwartete, längliche Struktur aufgedeckt, die sie als "Gold-Quantennadeln" bezeichnen. Diese Entdeckung, ermöglicht durch die Röntgenkristallographie, liefert tiefgreifende Einblicke in die Wachstumsmechanismen dieser atomaren Verbände, deren Entstehungsprozesse bisher ein Rätsel blieben. Gold-Nanocluster, die aus weniger als hundert Atomen bestehen, faszinieren die Materialwissenschaften durch ihre einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften, die sich grundlegend von denen von massivem Gold unterscheiden. Diese Eigenschaften machen sie besonders wertvoll für Anwendungen in der Katalyse, Sensorik und Medizin. Trotz jahrzehntelanger Forschung war der Syntheseprozess dieser Nanocluster, der typischerweise auf der Reduktion von Goldionen in Lösung unter Anwesenheit organischer Liganden basiert, weitgehend unerforscht.
Der leitende Forscher Tatsuya Tsukuda erklärte, dass trotz intensiver Bemühungen, den Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften zu verstehen, der Bildungsprozess selbst als "Black Box" galt. Das Ziel des Teams war es, die anfänglichen Aggregationsstadien zu verstehen, um neue, gezielte Synthesemethoden zu entwickeln. Um dieses Rätsel zu lösen, verfolgten Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki und Tatsuya Tsukuda einen innovativen Ansatz: Sie verlangsamten künstlich das Wachstum der Nanocluster. Durch subtile Anpassungen der Synthesebedingungen gelang es ihnen, die Goldaggregate in ihren frühesten Stadien "einzufangen", vergleichbar mit Momentaufnahmen eines extrem verlangsamten Films. Diese sorgfältig präparierten Proben wurden mittels Einkristall-Röntgenbeugung analysiert.
Die Ergebnisse übertrafen die Erwartungen: Anstatt gleichmäßig zu kugelförmigen Gebilden heranzuwachsen, entwickelten sich die Gold-Nanocluster anisotrop, das heißt, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedenen Richtungen. Diese Wachstumsasymmetrie führte zu einer neuartigen Geometrie: Bleistiftförmige Aggregate, die aus sich wiederholenden elementaren Einheiten – dreifachen und vierfachen Goldatom-Tetrameren – bestehen. Diese längliche Form und innere Architektur inspirierten die Benennung "Quantennadeln". Der Begriff "Quanten" bezieht sich auf ein fundamentales Phänomen, bei dem Elektronen, die in diesen winzigen Strukturen eingeschlossen sind, nur diskrete Energieniveaus besetzen können – ein typisches Verhalten von Quantensystemen. Diese Quantisierung verleiht den "Gold-Quantennadeln" bemerkenswerte optische Eigenschaften, einschließlich einer starken Wechselwirkung mit Licht im nahen Infrarotbereich. Diese Wellenlänge kann tief in biologisches Gewebe eindringen, ohne Schaden anzurichten, was sie für die biomedizinische Bildgebung besonders interessant macht.
Tatsuya Tsukuda bemerkte, dass sie die Entstehung mehrerer kleiner Gold-Nanocluster unter ihren ungewöhnlichen Synthesebedingungen rückwirkend erklären konnten. Die Entstehung der Nadeln, basierend auf einer dreieckigen Basis aus drei Goldatomen anstelle eines quasi-sphärischen Clusters, war jedoch eine glückliche Entdeckung, die ihre Vorstellungskraft weit übertraf. Diese "strukturellen Schnappschüsse" stellen einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis der fundamentalen Mechanismen der Materieassemblierung auf atomarer Ebene dar. Sie bieten eine detaillierte Karte der Zwischenstadien und ermöglichen es, die Synthese nicht als zufälligen Prozess, sondern als einen durchdachten, fast architektonischen Aufbau zu betrachten. Die Beherrschung dieser Anfangsschritte ist entscheidend für die zukünftige Entwicklung maßgeschneiderter Nanomaterialien mit spezifischen Eigenschaften.
Die Forscher der Universität Tokio planen, ihre Synthesebedingungen weiter zu verfeinern, um andere, noch unbekannte Architekturen zu erforschen. Sie streben auch eine Zusammenarbeit mit Spezialisten aus der Biophysik oder Photonik an, um die außergewöhnlichen Eigenschaften ihrer Quantennadeln vollständig zu nutzen. Ihre Fähigkeit, mit infrarotem Licht zu interagieren, könnte beispielsweise medizinische Bildgebungsverfahren mit einer wesentlich höheren Auflösung als aktuelle Techniken ermöglichen oder zu effizienteren Solarzellen führen. Die Röntgenkristallographie, eine etablierte Methode zur Bestimmung der atomaren Struktur von Kristallen, erwies sich als Schlüssel zur Aufklärung dieser komplexen Nanostrukturen. Sie ermöglichte die präzise Abbildung der atomaren Anordnung und der Bindungsverhältnisse, was für das Verständnis der Entstehungsmechanismen unerlässlich war.