Zespół naukowców z Uniwersytetu Tokijskiego, w skład którego wchodzą Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki i Tatsuya Tsukuda, po raz pierwszy zaobserwował początkowe etapy formowania nanoklastrów złota. Odkryli przy tym nieoczekiwaną, wydłużoną architekturę, którą nazwali „złotymi igłami kwantowymi”. To przełomowe osiągnięcie, umożliwione dzięki zastosowaniu krystalografii rentgenowskiej, dostarcza bezprecedensowego wglądu w mechanizmy wzrostu tych atomowych zespołów, które przez długi czas pozostawały nieodkrytą tajemnicą. Zrozumienie tych procesów otwiera nowe możliwości dla innowacji w dziedzinie materiałoznawstwa i technologii.
Nanoklastry złota, składające się z mniej niż stu atomów, fascynują naukowców ze względu na swoje unikalne właściwości optyczne i elektroniczne, które znacząco różnią się od właściwości złota w stanie masowym. Są one szczególnie cenne w zastosowaniach takich jak kataliza, diagnostyka medyczna i terapie. Mimo dekad badań, proces ich syntezy wciąż był owiany tajemnicą, opierając się głównie na redukcji jonów złota w roztworze w obecności organicznych ligandów. Jak podkreślił Tatsuya Tsukuda, jeden z głównych badaczy, wysiłki skupiały się na powiązaniu struktury z właściwościami fizykochemicznymi, jednak sam proces formowania uważano za „czarną skrzynkę”. Celem zespołu było zrozumienie początkowych etapów agregacji, aby opracować nowe, ukierunkowane metody syntezy.
Aby rozwikłać tę zagadkę, badacze zastosowali strategię sztucznego spowolnienia wzrostu nanoklastrów. Poprzez subtelne modyfikacje warunków syntezy udało im się „uwięzić” agregaty złota w ich bardzo wczesnych stadiach rozwoju. Te cenne próbki zostały następnie przeanalizowane za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej pojedynczych kryształów, techniki umożliwiającej precyzyjne określenie trójwymiarowej struktury atomowej materiałów krystalicznych. Wyniki analizy wykazały, że nanoklastry złota rozwijały się anizotropowo, czyli z różną prędkością w zależności od kierunku w przestrzeni. Ta asymetria wzrostu doprowadziła do powstania całkowicie nowej geometrii: zgrupowań w kształcie ołówka, złożonych z powtarzających się jednostek elementarnych – trójkątnych trymerów i czworościennych tetramerów atomów złota.
Wydłużony kształt i wewnętrzna architektura zainspirowały nazwę „złote igły kwantowe”. Termin „kwantowy” nawiązuje do fundamentalnego zjawiska, w którym elektrony uwięzione w tych maleńkich strukturach mogą zajmować jedynie dyskretne poziomy energetyczne, co jest typowym zachowaniem systemów kwantowych. Kwantyzacja ta nadaje złotym igłom niezwykłe właściwości optyczne, w tym silną reakcję na światło w zakresie bliskiej podczerwieni, które przenika głęboko w tkanki biologiczne bez powodowania uszkodzeń. Tatsuya Tsukuda zauważył, że udało im się wstecznie wyjaśnić powstawanie kilku małych nanoklastrów złota w ich nietypowych warunkach syntezy. Pojawienie się igieł opartych na trójkątnej podstawie trzech atomów złota, zamiast quasi-kulistego klastra, było jednak szczęśliwym odkryciem, które znacznie przerosło ich wyobraźnię.
Te „migawki strukturalne” stanowią znaczący wkład w zrozumienie fundamentalnych mechanizmów rządzących agregacją materii w skali atomowej. Dostarczają szczegółowej mapy etapów pośrednich, pozwalając na postrzeganie syntezy nie jako procesu losowego, ale jako przemyślanej, niemal architektonicznej konstrukcji. Opanowanie tych początkowych kroków jest kluczem do projektowania spersonalizowanych nanomateriałów o określonych właściwościach w przyszłości. Zespół z Tokio planuje dopracować swoje warunki syntezy, aby badać inne egzotyczne, nieznane architektury. Zamierzają również współpracować ze specjalistami z dziedziny biofizyki lub inżynierii fotonicznej, aby w pełni wykorzystać wyjątkowe właściwości swoich złotych igieł kwantowych. Ich zdolność do interakcji ze światłem podczerwonym mogłaby na przykład umożliwić obrazowanie medyczne o znacznie wyższej rozdzielczości niż obecne techniki lub prowadzić do bardziej wydajnych urządzeń do konwersji energii słonecznej.