Một nhóm các nhà khoa học vật liệu tại Đại học Tokyo đã ghi nhận lần đầu tiên các giai đoạn sơ khai của quá trình hình thành cụm vàng, phát hiện ra một kiến trúc bất ngờ: các cấu trúc kéo dài được gọi là 'kim nano lượng tử vàng'. Khám phá đột phá này, được thực hiện nhờ kỹ thuật nhiễu xạ tia X tinh thể đơn, cung cấp cái nhìn sâu sắc chưa từng có về cơ chế phát triển của các tập hợp nguyên tử này, vốn từ lâu đã là một bí ẩn.
Các cụm vàng nano, bao gồm chưa đầy một trăm nguyên tử, là đối tượng thu hút sự quan tâm lớn trong khoa học vật liệu. Hành vi của chúng, khác biệt rõ rệt so với vàng khối, mang lại các đặc tính quang học và điện tử độc đáo, đặc biệt hữu ích trong xúc tác, phát hiện và y học. Mặc dù đã có nhiều thập kỷ nghiên cứu, phương pháp tổng hợp chúng vẫn còn là một ẩn số, thường dựa vào quá trình khử các ion vàng trong dung dịch với sự hiện diện của các phối tử hữu cơ.
Các nhà nghiên cứu Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki và Tatsuya Tsukuda đã tiếp cận vấn đề bằng một chiến lược táo bạo: làm chậm quá trình phát triển cụm vàng một cách nhân tạo. Bằng cách điều chỉnh tinh tế các điều kiện tổng hợp, họ đã thành công trong việc 'bắt giữ' các cụm vàng ở giai đoạn rất sớm, giống như những bức ảnh chụp từ một bộ phim quay chậm tối đa. Các mẫu quý giá này sau đó được phân tích bằng nhiễu xạ tia X tinh thể đơn.
Kết quả vượt xa mong đợi. Thay vì phát triển đồng đều thành hình cầu, các cụm vàng nano phát triển dị hướng, nghĩa là với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào phương hướng trong không gian. Sự bất đối xứng trong tăng trưởng này đã dẫn đến một hình dạng hoàn toàn mới: các cấu trúc kéo dài giống như bút chì, bao gồm các đơn vị lặp lại là bộ ba tam giác và bộ bốn tứ diện của các nguyên tử vàng. Hình dạng kéo dài và cấu trúc bên trong này đã truyền cảm hứng cho cái tên 'kim nano lượng tử'.
Thuật ngữ 'lượng tử' đề cập đến một hiện tượng cơ bản, nơi các electron bị giới hạn trong các cấu trúc nhỏ bé này chỉ có thể chiếm các mức năng lượng rời rạc, một hành vi điển hình của các hệ lượng tử. Sự lượng tử hóa này mang lại các đặc tính quang học đáng chú ý cho các kim nano vàng, bao gồm phản ứng mạnh mẽ với ánh sáng trong vùng cận hồng ngoại, có khả năng xuyên sâu vào các mô sinh học mà không gây tổn thương.
Tiến sĩ Tatsuya Tsukuda lưu ý rằng họ có thể giải thích hồi tố sự hình thành của nhiều cụm vàng nhỏ trong các điều kiện tổng hợp khác thường của họ. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các kim nano dựa trên nền tảng tam giác gồm ba nguyên tử vàng, thay vì một cụm gần hình cầu, là một khám phá tình cờ vượt xa sức tưởng tượng của họ. Những 'ảnh chụp nhanh cấu trúc' này là một đóng góp lớn cho việc hiểu các cơ chế cơ bản chi phối sự hình thành vật chất ở quy mô nguyên tử. Chúng cung cấp một bản đồ chi tiết về các giai đoạn trung gian, cho phép xem xét quá trình tổng hợp không phải là một quy trình ngẫu nhiên, mà là một sự xây dựng có lý, gần như kiến trúc. Việc làm chủ các bước ban đầu này là chìa khóa để thiết kế các vật liệu nano tùy chỉnh với các đặc tính cụ thể trong tương lai.
Nhóm nghiên cứu tại Tokyo có kế hoạch tinh chỉnh các điều kiện tổng hợp của họ để khám phá các kiến trúc kỳ lạ, chưa biết khác. Họ cũng đặt mục tiêu hợp tác với các chuyên gia về vật lý sinh học hoặc kỹ thuật quang tử để khai thác triệt để các đặc tính đặc biệt của kim nano lượng tử của họ. Khả năng tương tác với ánh sáng hồng ngoại của chúng có thể, ví dụ, cho phép chụp ảnh y tế với độ phân giải cao hơn nhiều so với các kỹ thuật hiện tại hoặc dẫn đến các thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.