Forskarna Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki och Tatsuya Tsukuda vid Tokyos universitet har lyckats visualisera den geometriska strukturen hos växande guldnanokluster i deras tidigaste stadier. Under denna process lyckades de också odla en ny struktur av långsträckta nanokluster, som de döpte till guldkvantnålar.
Tack vare deras känslighet för ljus i det nära infraröda området kan dessa nålar möjliggöra biomedicinsk avbildning med mycket högre upplösning och effektivare omvandling av ljusenergi. Resultaten publicerades i Journal of the American Chemical Society.
Även om guld kan förknippas med pompa och lyx är det också ett viktigt element i modern nanoteknik tack vare sina unika strukturer och egenskaper i nanoskala.
Guldnanokluster bestående av färre än 100 atomer syntetiseras vanligtvis genom reduktion, det vill säga genom att lägga till elektroner, guldprekursorjoner i närvaro av skyddande ligander. Det är dock fortfarande en utmaning att syntetisera guldnanokluster med önskad storlek, form och sammansättning.
”Under de senaste åren”, säger Tsukuda, huvudforskaren, ”har mycket arbete lagts ner på att förstå sambandet mellan nanoklusternas struktur och fysikalisk-kemiska egenskaper. Bildningsprocessen betraktas dock som en svart låda. Vi inledde detta projekt med övertygelsen att en förståelse av de inledande stadierna av klusterbildningen kommer att leda till utvecklingen av nya, målinriktade syntesmetoder för önskade strukturer.”
Forskarna satte sig därför för att bestämma de geometriska strukturerna hos guldnanokluster i de inledande stadierna av deras bildning. De använde något ovanliga syntesförhållanden för att fånga nanoklusterna i de allra första stadierna av tillväxten.
Enkelkristallröntgendiffraktionsanalys, en röntgen för kemiska föreningar, om man så vill, avslöjade att guldnanokluster växte anisotropiskt, med olika hastighet i olika riktningar. Dessutom avslöjade analysen en helt ny struktur: pennformade nanokluster bestående av triangulära trimerer och tetraedriska tetramerer.
Forskarna döpte dem till guldkvantnålar eftersom elektronerna som var instängda i dessa nanokluster uppvisade kvantiserat beteende, ett kvantfenomen där elektroner endast kan ta specifika potentiella energier.
”Vi kunde retroaktivt förklara bildningsprocesserna för en serie små guldnanokluster under våra ovanliga syntetiska förhållanden”, förklarar Tsukuda.
”Men bildandet av nålar med en bas av en triangel av tre guldatomer istället för ett nästan sfäriskt kluster är en slumpmässig upptäckt som var långt bortom vår fantasi.”
De strukturella ögonblicksbilder som forskarna fick av den stegvisa tillväxten av guldnanokluster bidrar i hög grad till vår förståelse av bildningsmekanismen. Tsukuda funderar dock redan på nästa steg.
”Vi vill undersöka möjligheten att syntetisera andra unika nanokluster genom att ytterligare förfina syntesförhållandena. Vi vill också samarbeta med andra experter för att främja tillämpningen av guldkvantnålar och dra nytta av deras exceptionella optiska egenskaper.”
Mer information: Röntgenkristallografisk visualisering av nukleation och anisotropisk tillväxt i tiolatskyddade guldkluster: Mot målinriktad syntes av guldkvantnålar, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c11089
