Cientistas da Universidade de Tóquio fizeram uma descoberta pioneira ao observar os estágios iniciais da formação de nanoclústeres de ouro, revelando uma arquitetura inesperada em forma de agulhas alongadas, apelidadas de "agulhas quânticas de ouro". Esta façanha, possibilitada pela cristalografia de raios X, oferece uma visão sem precedentes sobre os mecanismos de crescimento destes aglomerados atómicos, que até agora permaneciam um mistério. A pesquisa foi publicada no Journal of the American Chemical Society.
Os nanoclústeres de ouro, compostos por menos de cem átomos, são de grande interesse para a ciência dos materiais devido às suas propriedades óticas e eletrónicas únicas, distintas do ouro em massa. Estas características tornam-nos valiosos em aplicações como catálise, deteção e medicina. Apesar de décadas de investigação, a síntese destes nanoclústeres tem sido um processo complexo, geralmente dependente da redução de íons de ouro na presença de ligantes orgânicos. O líder da pesquisa, Tatsuya Tsukuda, destacou que, embora houvesse um esforço considerável para compreender a relação entre a estrutura e as propriedades físico-químicas, o processo de formação em si era considerado uma "caixa-preta".
Para desmistificar este processo, Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki e Tatsuya Tsukuda adotaram uma abordagem inovadora: desacelerar artificialmente o crescimento dos nanoclústeres. Ao modificar subtilmente as condições de síntese, conseguiram "capturar" os agregados de ouro nas suas fases iniciais, tal como instantâneos de um filme em câmara lenta. A análise destes agregados através de difração de raios X de cristal único revelou que os nanoclústeres não cresciam uniformemente em esferas, mas sim de forma anisotrópica, ou seja, em velocidades diferentes dependendo da direção. Esta assimetria de crescimento resultou numa geometria inédita: aglomerados em forma de lápis, compostos por unidades elementares repetidas – triméros triangulares e tetrámeros tetraédricos de átomos de ouro. Esta forma alongada e arquitetura interna inspiraram o nome "agulhas quânticas".
O termo "quântico" alude a um fenómeno fundamental onde os eletrões confinados nestas minúsculas estruturas só podem ocupar níveis de energia discretos, uma característica típica de sistemas quânticos. Esta quantização confere às agulhas de ouro propriedades óticas notáveis, incluindo uma forte resposta à luz na região do infravermelho próximo, que é capaz de penetrar profundamente em tecidos biológicos sem causar danos. Esta propriedade é particularmente promissora para aplicações médicas, como a imagem biomédica, onde a penetração em tecidos é crucial.
Tsukuda observou que foi possível explicar retroativamente a formação de vários nanoclústeres de ouro em condições de síntese incomuns. No entanto, a emergência de agulhas baseadas numa estrutura triangular de três átomos de ouro, em vez de um aglomerado quase esférico, foi uma descoberta fortuita que superou as suas expectativas. Estas "fotografias estruturais" representam um avanço significativo na compreensão dos mecanismos fundamentais que regem a montagem da matéria à escala atómica, fornecendo um mapa detalhado das fases intermediárias. Isso permite conceber a síntese não como um processo aleatório, mas como uma construção arquitetónica deliberada, abrindo caminho para o design de nanomateriais personalizados com propriedades específicas.
A equipa de Tóquio planeia refinar as suas condições de síntese para explorar outras arquiteturas exóticas e desconhecidas. Além disso, pretendem colaborar com especialistas em biofísica ou engenharia fotónica para explorar plenamente as propriedades excecionais das suas agulhas quânticas. A sua capacidade de interagir com a luz infravermelha poderá, por exemplo, permitir a imagiologia médica com uma resolução muito superior às técnicas atuais ou conduzir a dispositivos de conversão de energia solar mais eficientes. A investigação em nanoclústeres de ouro tem demonstrado um potencial crescente em diversas áreas, desde a medicina, onde podem ser usados para diagnóstico e tratamento de cancro, até à nanotecnologia para recuperação de metais preciosos em mineração.