Un equipo de químicos de la Universidad de Tokio, liderado por Tatsuya Tsukuda, ha logrado un avance sin precedentes al observar las etapas iniciales de la formación de nanoclústeres de oro. Este hito, posible gracias a la cristalografía de rayos X, revela una arquitectura inesperada: estructuras alargadas denominadas "agujas cuánticas de oro". Este descubrimiento proporciona una visión profunda de los mecanismos de crecimiento de estos ensamblajes atómicos, que hasta ahora habían permanecido en gran medida inexplorados.
Los nanoclústeres de oro, constituidos por menos de cien átomos, son de gran interés en la ciencia de materiales debido a sus propiedades ópticas y electrónicas únicas, que difieren radicalmente de las del oro en masa. Estas características los hacen valiosos en aplicaciones como la catálisis, la detección y la medicina. A pesar de décadas de investigación, la síntesis de estos clústeres ha sido un misterio, dependiendo en gran medida de la reducción de iones de oro en presencia de ligandos orgánicos.
El equipo de Tsukuda, junto con Shinjiro Takano y Yuya Hamasaki, abordó este desafío ralentizando artificialmente el crecimiento de los nanoclústeres. Mediante la modificación sutil de las condiciones de síntesis, lograron "atrapar" los agregados de oro en sus fases más tempranas, como instantáneas de una película a cámara ultralenta. El análisis de estas muestras mediante difracción de rayos X de cristal único reveló un crecimiento anisotrópico, es decir, a diferentes velocidades según la dirección. Esta asimetría dio lugar a una geometría novedosa: ensamblajes con forma de lápiz, compuestos por unidades repetitivas de trímeros y tetrámeros de átomos de oro.
La denominación "agujas cuánticas" alude a la naturaleza discreta de los niveles de energía de los electrones confinados en estas diminutas estructuras, un comportamiento característico de los sistemas cuánticos. Estas "agujas cuánticas" exhiben una notable respuesta a la luz en el rango del infrarrojo cercano, una propiedad que podría ser fundamental para aplicaciones futuras. Su capacidad para interactuar con esta parte del espectro, que penetra en los tejidos biológicos sin dañarlos, abre la puerta a una imagen biomédica de mayor resolución que las técnicas actuales. Además, esta característica podría potenciar la eficiencia en la conversión de energía solar.
El descubrimiento de estas estructuras alargadas, basadas en un trímero de oro, fue una serendipia que superó las expectativas del equipo. La comprensión detallada de estas etapas intermedias permite concebir la síntesis de nanomateriales no como un proceso aleatorio, sino como una construcción arquitectónica deliberada. Los investigadores planean refinar sus métodos de síntesis para explorar otras arquitecturas exóticas y colaborar con especialistas en biofísica e ingeniería fotónica para explotar plenamente las propiedades de las agujas cuánticas de oro. El equipo de la Universidad de Tokio ha publicado sus hallazgos en el Journal of the American Chemical Society, marcando un avance significativo en la manipulación de la materia a escala atómica.