Исследователи из Токийского университета успешно визуализировали геометрическую структуру растущих нанокластеров золота на самых ранних стадиях. В ходе этого процесса они также успешно «вырастили» новую структуру из удлинённых нанокластеров, которую ученые назвали «золотыми квантовыми иглами». Благодаря своей чувствительности к свету в ближнем инфракрасном диапазоне эти «иглы» могут обеспечить биомедицинскую визуализацию с высоким разрешением и более эффективное преобразование световой энергии. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.
Хотя золото может ассоциироваться с роскошью и богатством, оно также является важным элементом современных нанотехнологий благодаря уникальной структуре и свойствам на наноуровне. Нанокластеры золота, состоящие менее чем из 100 атомов, обычно синтезируются путём восстановления, то есть добавления электронов, ионов-предшественников золота в присутствии защитных лигандов. Однако синтез нанокластеров золота желаемого размера, формы и состава по-прежнему представляет собой сложную задачу.
«В последние годы, — говорит Цукуда, главный исследователь, — много усилий было направлено на изучение взаимосвязи между структурой и физико-химическими свойствами нанокластеров. Однако процесс их формирования до сих пор остаётся загадкой. Мы начали этот проект, полагая, что понимание начальных этапов формирования кластеров приведёт к разработке новых, целенаправленных методов синтеза желаемых структур».
Таким образом, исследователи намеревались определить геометрическую структуру нанокластеров золота на начальных стадиях их формирования. Они использовали несколько необычные условия синтеза, чтобы улавливать нанокластеры на первых стадиях роста. Монокристаллический рентгеноструктурный анализ показал, что нанокластеры золота росли анизотропно, с разной скоростью в разных направлениях. Более того, анализ выявил совершенно новую структуру: нанокластеры в форме карандаша, состоящие из треугольных тримеров и тетраэдрических тетрамеров. Исследователи назвали их «золотыми квантовыми иглами», потому что электроны, заключённые в этих нанокластерах, демонстрировали квантовое поведение — явление, при котором электроны могут принимать только определённые потенциальные энергии.
«Мы могли бы объяснить процессы формирования ряда небольших нанокластеров золота в наших необычных условиях синтеза, — объясняет Цукуда. — Однако образование игл с основанием в виде треугольника из трёх атомов золота вместо почти сферического кластера — это случайная находка, которая была далека от наших представлений».
Структурные снимки, полученные в ходе поэтапного роста нанокластеров золота, значительно расширяют понимание механизма их формирования. «Мы хотели бы изучить возможность синтеза других, уникальных нанокластеров путём дальнейшего совершенствования условий синтеза. Мы также хотели бы сотрудничать с другими экспертами, чтобы продвигать применение золотых квантовых игл и использовать их исключительные оптические свойства», — заключили ученые.
[Фото: Takano et al 2025]
