Команда хіміків з Токійського університету, очолювана Тацуєю Цукудою, вперше спостерігала початкові стадії формування золотих нанокластерів, виявивши несподівану архітектуру — видовжені структури, названі «золотими квантовими голками». Цей прорив, досягнутий завдяки рентгенівській кристалографії, надає безпрецедентне розуміння механізмів росту цих атомних агрегатів, які тривалий час залишалися загадкою.
Золоті нанокластери, що складаються з менш ніж сотні атомів, є об'єктом захоплення для матеріалознавства. Їхня поведінка, що кардинально відрізняється від поведінки масивного золота, надає унікальні оптичні та електронні властивості, особливо корисні в каталізі, детекції та медицині. Незважаючи на десятиліття досліджень, їхній синтез залишався таємницею, зазвичай покладаючись на відновлення золотих іонів у розчині в присутності органічних лігандів.
Дослідники, зокрема Шінджіро Такано та Юя Хамасакі, застосували стратегію штучного уповільнення росту нанокластерів. Шляхом тонкої модифікації умов синтезу їм вдалося «зафіксувати» золоті агрегати на ранніх стадіях, подібно до кадрів зі сповільненого фільму. Ці зразки були проаналізовані методом дифракції рентгенівських променів на монокристалах.
Результати перевершили очікування. Замість рівномірного зростання до сферичних форм, золоті нанокластери розвивалися анізотропно, тобто з різною швидкістю залежно від напрямку у просторі. Ця асиметрія росту призвела до абсолютно нової геометрії: олівцеподібних агрегатів, що складаються з повторюваних елементарних одиниць — трикутних тримерів та тетраедричних тетрамерів атомів золота. Ця видовжена форма та внутрішня архітектура надихнули на назву «квантові голки».
Термін «квантовий» стосується фундаментального явища, коли електрони, замкнені в цих крихітних структурах, можуть займати лише дискретні енергетичні рівні — типова поведінка квантових систем. Така квантизація надає золотим голкам видатні оптичні властивості, зокрема сильну реакцію на світло в ближньому інфрачервоному діапазоні, який глибоко проникає в біологічні тканини без пошкоджень. Це відкриває перспективи для значно точнішої біомедичної візуалізації та ефективнішого перетворення світлової енергії.
Ці «структурні знімки» є значним внеском у розуміння фундаментальних механізмів, що керують формуванням матерії на атомному рівні. Вони надають детальну карту проміжних стадій, дозволяючи розглядати синтез не як випадковий процес, а як продуману, майже архітектурну побудову. Опанування цих початкових етапів є ключем до розробки індивідуальних наноматеріалів з бажаними властивостями в майбутньому.
Команда з Токіо планує вдосконалити умови синтезу для дослідження інших екзотичних, невідомих архітектур. Вони також прагнуть співпрацювати зі спеціалістами з біофізики або фотонної інженерії для повного використання виняткових властивостей своїх квантових голок. Їхня здатність взаємодіяти з інфрачервоним світлом може, наприклад, уможливити медичну візуалізацію з набагато вищою роздільною здатністю, ніж сучасні методи, або призвести до більш ефективних пристроїв перетворення сонячної енергії.