Tokyo Üniversitesi'nden bir grup kimyager, altın nanoparçacık oluşumunun ilk evrelerini gözlemleyerek daha önce bilinmeyen, uzatılmış yapılar keşfetti. 'Altın kuantum iğneler' olarak adlandırılan bu mimari, atomik düzenlemelerin büyüme mekanizmalarına dair eşsiz bir bakış açısı sunuyor ve atomik düzeyde madde birikimini anlamada önemli bir adım olarak öne çıkıyor.
Altın nanoparçacıklar, yüz atomdan az atom içeren ve malzemebilim alanında büyük ilgi gören yapılar olarak tanımlanıyor. Toplu altından radikal biçimde farklı davranarak, kataliz, algılama ve tıp gibi alanlarda kullanılan benzersiz optik ve elektronik özellikler sergiliyorlar. Yıllardır süren araştırmalara rağmen, bu parçacıkların sentezlenme süreci, genellikle organik bağlayıcılar varlığında çözeltideki altın iyonlarının indirgenmesiyle gerçekleştirilse de, büyük ölçüde bir sır perdesiyle örtülüydü. Lider araştırmacı Tatsuya Tsukuda, yapı ve fizikokimyasal özellikler arasındaki bağlantıyı anlamaya yönelik yoğun çaba harcandığını, ancak oluşum sürecinin adeta bir "kara kutu" olarak görüldüğünü belirtti. Ekip, yeni ve hedefe yönelik sentez yöntemleri geliştirmek amacıyla agregaların oluşumunun ilk aşamalarını aydınlatmayı hedefledi.
Bu gizemi çözmek için Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki ve Tatsuya Tsukuda, nanoparçacık büyümesini yapay olarak yavaşlatma stratejisini benimsedi. Sentez koşullarını hassas bir şekilde ayarlayarak, altın agregalarını en erken evrelerinde "yakalamayı" başardılar. Bu değerli örnekler daha sonra tek kristal X-ışını kırınımı (X-ray crystallography) analizi ile incelendi. X-ışını kırınımı, kristal yapıları atomik çözünürlükte belirlemek için kullanılan güçlü bir analitik tekniktir ve malzemebilim, kimya, biyoloji ve fizik alanlarında atomların düzenini incelemek için önemli bir araçtır.
Sonuçlar beklentilerin ötesine geçti. Altın nanoparçacıklar, küreler halinde düzgün büyüme yerine, uzamsal yöne bağlı olarak farklı hızlarda büyüyen anizotropik bir gelişim gösterdi. Bu büyüme asimetrisi, üçlü altın atom grupları (triadlar) ve dörtlü altın atom gruplarından (tetradlar) oluşan, daha önce görülmemiş, kurşun kalem şeklinde yeni bir geometri ortaya çıkardı. Bu uzatılmış şekil ve iç mimari, onlara 'kuantum iğneler' adının verilmesine ilham verdi. 'Kuantum' terimi, bu minik yapılarda hapsolmuş elektronların yalnızca ayrık enerji seviyelerini işgal edebildiği temel bir olguyu ifade eder; bu, kuantum sistemlerinin tipik bir davranışıdır.
Bu kuantizasyon, altın iğnelere dikkat çekici optik özellikler kazandırır; özellikle biyolojik dokuların derinliklerine zarar vermeden nüfuz edebilen yakın kızılötesi bölgedeki ışığa güçlü bir tepki verirler. Tatsuya Tsukuda, alışılmadık sentez koşulları altında bir dizi küçük altın nanoparçacığın oluşumunu geriye dönük olarak açıklayabildiklerini belirtti. Ancak, küresel bir küme yerine üç altın atomdan oluşan üçgen bir tabana dayanan iğnelerin ortaya çıkışı, hayal güçlerini aşan rastlantısal bir keşifti. Bu "yapısal anlık görüntüler", atomik ölçekte madde birleşimini yöneten temel mekanizmaları anlamaya büyük katkı sağlıyor.
Bu, sentezi rastgele bir süreç olarak değil, neredeyse mimari bir inşaat gibi akılcı bir yaklaşımla ele almayı mümkün kılıyor. Bu ilk adımlarda ustalaşmak, gelecekte belirli özelliklere sahip, özel olarak tasarlanmış nanomateryaller geliştirmek için kritik öneme sahiptir. Tokyo ekibi, diğer egzotik ve bilinmeyen mimarileri keşfetmek için sentez koşullarını iyileştirmeyi planlıyor. Ayrıca, kuantum iğnelerinin olağanüstü özelliklerinden tam olarak yararlanmak için biyofizik veya fotonik mühendisliği uzmanlarıyla işbirliği yapmayı hedefliyorlar. Yakın kızılötesi ışıkla etkileşim yetenekleri, örneğin, mevcut tekniklerden çok daha yüksek çözünürlüğe sahip tıbbi görüntüleme sağlayabilir veya daha verimli güneş enerjisi dönüşüm cihazlarına yol açabilir. Altın nanoparçacıkların tıbbi görüntüleme ve terapi alanlarındaki potansiyeli, küçük boyutları sayesinde böbrek dokusuna nüfuz etme ve renal klirens yoluyla in vivo toksisiteyi azaltma vaadiyle öne çıkmaktadır. Bu nanoparçacıklar, kemoterapi ilaçları için nanotaşıyıcılar olarak da kullanılabilir.