Wetenschappers van de Universiteit van Tokyo hebben voor het eerst de vorming van gouden nanoclusters in de beginfase waargenomen. Ze ontdekten een onverwachte, langwerpige structuur die ze 'gouden kwantumnaalden' hebben gedoopt.
Deze doorbraak, mogelijk gemaakt door röntgendiffractie, biedt ongekend inzicht in de groeimechanismen van deze atomaire assemblages. Gouden nanoclusters, bestaande uit minder dan honderd atomen, zijn van groot belang in de materiaalkunde vanwege hun unieke optische en elektronische eigenschappen, die toepassingen mogelijk maken in katalyse, detectie en geneeskunde. Ondanks decennia van onderzoek bleef de synthese ervan echter een mysterie.
Het onderzoeksteam, onder leiding van Tatsuya Tsukuda en met bijdragen van Shinjiro Takano en Yuya Hamasaki, slaagde erin het groeiproces kunstmatig te vertragen door de synthesecondities aan te passen. Hierdoor konden ze de gouden aggregaten in hun vroegste stadia 'vangen' en analyseren met single-crystal röntgendiffractie. Deze analyse onthulde een onverwacht anisotroop groeipatroon, wat resulteerde in de vorming van langwerpige, potloodvormige assemblages die de naam 'kwantumnaalden' kregen.
Het 'kwantum'-aspect verwijst naar de opsluiting van elektronen binnen deze minuscule structuren, wat leidt tot discrete energieniveaus en opmerkelijke optische eigenschappen, zoals een sterke interactie met licht in het nabij-infrarood spectrum. Dit is veelbelovend voor medische toepassingen, omdat dit licht diep in biologisch weefsel kan doordringen zonder schade te veroorzaken. De ontdekking van deze naaldachtige structuren, die voortkwamen uit een driehoekige basis van drie gouden atomen, was een toevallige bevinding die de verwachtingen van het team overtrof.
Deze bevindingen, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society, verschuiven het begrip van nanoclustersynthese van een willekeurig proces naar een meer gecontroleerde, architectonische constructie. Het beheersen van deze initiële groeifasen is cruciaal voor het toekomstige ontwerp van op maat gemaakte nanomaterialen met specifieke eigenschappen. Het team van de Universiteit van Tokyo is van plan hun synthesemethoden verder te verfijnen en samen te werken met specialisten om de unieke eigenschappen van de kwantumnaalden volledig te benutten voor toepassingen in medische beeldvorming en zonne-energieconversie.