Команда химиков из Токийского университета впервые зафиксировала ранние стадии формирования золотых нанокластеров, обнаружив при этом неожиданную архитектуру — вытянутые структуры, получившие название «золотые квантовые иглы». Это достижение, ставшее возможным благодаря рентгеновской кристаллографии, открывает беспрецедентные возможности для понимания механизмов роста этих атомных ансамблей, которые долгое время оставались загадкой.
Золотые нанокластеры, состоящие менее чем из сотни атомов, представляют собой объект пристального интереса для материаловедения. Их свойства, кардинально отличающиеся от свойств массивного золота, наделяют их уникальными оптическими и электронными характеристиками, что делает их особенно ценными в катализе, системах обнаружения и медицине. Несмотря на десятилетия исследований, процесс их синтеза оставался окутан тайной, обычно сводясь к восстановлению ионов золота в растворе в присутствии органических лигандов. Профессор Тацуя Цукуда, руководитель исследовательской группы, отметил, что значительные усилия были направлены на установление связи между структурой и физико-химическими свойствами, однако сам процесс формирования считался «черным ящиком». Целью команды было понять начальные этапы образования агрегатов для разработки новых, целенаправленных методов синтеза.
Для раскрытия этой тайны Синзиро Такано, Юя Хамасаки и Тацуя Цукуда применили смелую стратегию: искусственное замедление роста нанокластеров. Путем тонкой модификации условий синтеза им удалось «зафиксировать» золотые агрегаты на самых ранних стадиях их развития, подобно кадрам из максимально замедленной киносъемки. Полученные образцы были проанализированы методом дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах.
Результаты превзошли ожидания. Вместо равномерного роста в виде сфер, золотые нанокластеры развивались анизотропно, то есть с разной скоростью в зависимости от пространственного направления. Этот асимметричный рост привел к совершенно новой геометрии: вытянутым, похожим на карандаши структурам, состоящим из повторяющихся элементарных единиц — треугольных тримеров и тетраэдрических тетрамеров атомов золота. Такая вытянутая форма и внутренняя архитектура вдохновили на создание названия «квантовые иглы». Термин «квантовый» относится к фундаментальному явлению, при котором электроны, локализованные в этих крошечных структурах, могут занимать только дискретные энергетические уровни — типичное поведение квантовых систем.
Эта квантованность наделяет золотые иглы замечательными оптическими свойствами, включая сильный отклик на свет в ближней инфракрасной области, которая способна проникать глубоко в биологические ткани без повреждений. Это открывает перспективы для создания более четких медицинских изображений и эффективных устройств для преобразования солнечной энергии. Тацуя Цукуда подчеркнул, что им удалось ретроспективно объяснить формирование ряда мелких золотых нанокластеров в необычных условиях синтеза. Однако появление игл на основе треугольного основания из трех атомов золота, а не квазисферического кластера, стало поистине неожиданным открытием, далеко превзошедшим их воображение.
Эти «структурные снимки» представляют собой значительный вклад в понимание фундаментальных механизмов, управляющих сборкой материи на атомном уровне. Они предоставляют детальную карту промежуточных стадий, позволяя рассматривать синтез не как случайный процесс, а как продуманную, почти архитектурную конструкцию. Освоение этих начальных этапов является ключом к будущему проектированию наноматериалов с заданными свойствами. Команда из Токио планирует усовершенствовать условия синтеза для исследования других экзотических, неизвестных архитектур. Также они намерены сотрудничать со специалистами в области биофизики или фотонной инженерии для полного раскрытия исключительных свойств своих квантовых игл. Их способность взаимодействовать с инфракрасным светом может, например, обеспечить медицинскую визуализацию с гораздо более высоким разрешением, чем современные методы, или привести к созданию более эффективных устройств для преобразования солнечной энергии.