Un team di chimici dell'Università di Tokyo ha ottenuto un risultato senza precedenti nella scienza dei materiali, osservando per la prima volta le fasi iniziali della formazione di nanocluster d'oro. Questa ricerca pionieristica ha rivelato un'architettura inaspettata: strutture allungate soprannominate "aghi quantistici d'oro". La scoperta, resa possibile dall'uso della diffrazione a raggi X su cristallo singolo, fornisce una visione dettagliata dei meccanismi di crescita di questi aggregati atomici, un processo che fino ad ora era rimasto in gran parte un mistero.
I nanocluster d'oro, costituiti da meno di cento atomi, sono di grande interesse per la scienza dei materiali grazie alle loro proprietà ottiche ed elettroniche uniche, che differiscono radicalmente da quelle dell'oro massiccio. Queste caratteristiche li rendono particolarmente preziosi in settori come la catalisi, la diagnostica e la medicina. Nonostante decenni di studi, la sintesi di questi nanocluster è rimasta complessa, affidandosi principalmente alla riduzione di ioni d'oro in presenza di ligandi organici. Il ricercatore principale, Tatsuya Tsukuda, ha sottolineato come, sebbene ci sia stato un notevole impegno nello studio del legame tra struttura e proprietà, il processo di formazione fosse considerato una "scatola nera". L'obiettivo del team era di chiarire le fasi iniziali dell'aggregazione per sviluppare metodi di sintesi più mirati.
Per raggiungere questo scopo, Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki e Tatsuya Tsukuda hanno adottato una strategia innovativa: rallentare artificialmente la crescita dei nanocluster. Modificando con cura le condizioni di sintesi, sono riusciti a "fotografare" gli aggregati d'oro nelle loro primissime fasi di sviluppo, ottenendo così istantanee cruciali per l'analisi. L'analisi mediante diffrazione a raggi X su cristallo singolo ha rivelato che i nanocluster d'oro non crescono uniformemente in sfere, ma in modo anisotropo, ovvero a velocità differenti a seconda della direzione. Questa asimmetria nella crescita ha portato a una geometria completamente nuova: aggregati a forma di matita composti da unità elementari ripetute, specificamente trimeri triangolari e tetrameri tetraedrici di atomi d'oro.
Questa forma allungata e la sua architettura interna hanno ispirato la denominazione di "aghi quantistici". Il termine "quantistico" si riferisce al fenomeno fondamentale per cui gli elettroni confinati in queste minuscole strutture possono occupare solo livelli energetici discreti, un comportamento tipico dei sistemi quantistici. Questa quantizzazione conferisce agli aghi d'oro notevoli proprietà ottiche, inclusa una forte risposta alla luce nella regione del vicino infrarosso, capace di penetrare in profondità nei tessuti biologici senza causare danni. Tsukuda ha osservato che, sebbene fosse possibile spiegare a posteriori la formazione di alcuni piccoli nanocluster d'oro in condizioni di sintesi insolite, l'emergere di strutture ad ago basate su una base triangolare di tre atomi d'oro, anziché un cluster quasi sferico, è stata una scoperta fortuita che ha superato ogni aspettativa.
Queste "istantanee strutturali" rappresentano un contributo significativo alla comprensione dei meccanismi fondamentali che governano l'assemblaggio della materia a scala atomica. Forniscono una mappa dettagliata delle fasi intermedie, permettendo di concepire la sintesi non come un processo casuale, ma come una costruzione ragionata, quasi architettonica. La padronanza di questi passaggi iniziali è fondamentale per la progettazione futura di nanomateriali su misura con proprietà specifiche. Il team di Tokyo intende affinare ulteriormente le condizioni di sintesi per esplorare altre architetture esotiche e sconosciute, e collaborare con specialisti di biofisica o ingegneria fotonica per sfruttare appieno le eccezionali proprietà dei loro aghi quantistici. La loro capacità di interagire con la luce infrarossa potrebbe, ad esempio, consentire l'imaging medico con una risoluzione molto più elevata rispetto alle tecniche attuali o portare a dispositivi di conversione dell'energia solare più efficienti.