Para ilmuwan dari Universitas Tokyo, yang dipimpin oleh Tatsuya Tsukuda, telah berhasil mengamati secara langsung tahap awal pembentukan nanokluster emas. Penemuan ini mengungkap arsitektur baru yang tidak terduga berupa struktur memanjang yang dijuluki 'jarum kuantum emas'. Terobosan ini, yang dimungkinkan oleh teknik kristalografi sinar-X, memberikan wawasan mendalam mengenai mekanisme pertumbuhan agregat atomik yang sebelumnya tidak dipahami.
Nanokluster emas, yang terdiri dari kurang dari seratus atom, memiliki sifat optik dan elektronik yang unik, berbeda secara radikal dari emas curah. Sifat-sifat ini sangat berguna dalam aplikasi seperti katalisis, deteksi, dan bidang medis. Meskipun telah diteliti selama beberapa dekade, sintesisnya masih menjadi area yang belum sepenuhnya dipahami, umumnya mengandalkan reduksi ion emas dalam larutan dengan kehadiran ligan organik yang menstabilkan nanokluster dan memengaruhi proses pembentukannya.
Tim peneliti mengadopsi strategi inovatif dengan memperlambat pertumbuhan nanokluster secara artifisial dengan memodifikasi kondisi sintesis. Hal ini memungkinkan mereka untuk "menjebak" agregat emas pada tahap pertumbuhan paling awal. Sampel-sampel ini kemudian dianalisis menggunakan difraksi sinar-X kristal tunggal, yang mengungkapkan bahwa nanokluster emas berkembang secara anisotropik, tumbuh dengan kecepatan berbeda tergantung pada arahnya. Asimetri pertumbuhan ini menghasilkan geometri baru: struktur memanjang berbentuk pensil yang tersusun dari unit-unit berulang dari atom emas, yang kemudian diberi nama 'jarum kuantum'.
Istilah 'kuantum' merujuk pada fenomena di mana elektron yang terperangkap dalam struktur mikroskopis ini hanya dapat menempati tingkat energi diskrit. Kuantisasi ini memberikan sifat optik yang luar biasa pada jarum emas, termasuk respons kuat terhadap cahaya di wilayah inframerah dekat. Kemampuan berinteraksi dengan cahaya inframerah dekat ini membuka potensi aplikasi dalam pencitraan medis dengan resolusi yang jauh lebih tinggi daripada teknik saat ini, atau untuk pengembangan perangkat konversi energi surya yang lebih efisien.
Penemuan ini merupakan kontribusi besar dalam memahami mekanisme fundamental yang mengatur perakitan materi pada skala atomik, menyediakan peta rinci tahapan intermediet. Hal ini memungkinkan konseptualisasi sintesis bukan sebagai proses acak, melainkan sebagai konstruksi yang terencana. Tim dari Universitas Tokyo berencana untuk menyempurnakan kondisi sintesis mereka guna mengeksplorasi arsitektur eksotis lainnya dan berkolaborasi dengan spesialis biofisika atau rekayasa fotonik untuk memanfaatkan sepenuhnya sifat luar biasa dari jarum kuantum emas mereka.