Учёные из Университета Токио — Синдзиро Такано, Юя Хамасаки и Тацуя Цукуда — успешно визуализировали геометрическую структуру растущих золотых нанокластеров на ранних стадиях их формирования. В ходе этого процесса они также создали новую структуру удлинённых нанокластеров, которую назвали «золотыми квантовыми иглами».
Благодаря их чувствительности к свету в ближнем инфракрасном диапазоне, эти иглы могут обеспечить более высокое разрешение при биомедицинской визуализации и более эффективное преобразование световой энергии. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Уникальные свойства золота в нанотехнологиях
Хотя золото часто ассоциируется с пышностью и роскошью, оно также является важным элементом современных нанотехнологий благодаря своим уникальным структурам и свойствам на наноуровне.
Золотые нанокластеры, состоящие менее чем из 100 атомов, обычно синтезируются путём восстановления ионов-предшественников золота в присутствии защитных лигандов. Однако создание золотых нанокластеров желаемого размера, формы и состава всё ещё остаётся сложной задачей.
«За последние годы, — говорит Цукуда, главный исследователь, — было приложено много усилий для понимания взаимосвязи между структурой и физико-химическими свойствами нанокластеров. Однако процесс формирования до сих пор остаётся загадкой. Мы начали этот проект, полагая, что понимание начальных стадий формирования кластеров приведёт к разработке новых, целевых методов синтеза желаемых структур».
Исследование геометрических структур золотых нанокластеров
Исследователи поставили перед собой задачу определить геометрические структуры золотых нанокластеров на начальных стадиях их формирования. Они использовали несколько необычные условия синтеза, чтобы «поймать» нанокластеры на самых ранних стадиях роста.
Анализ дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах показал, что золотые нанокластеры росли анизотропно, то есть 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 иметь только определённые потенциальные энергии.
«Мы смогли ретроспективно объяснить процессы формирования серии малых золотых нанокластеров в наших необычных условиях синтеза», — объясняет Цукуда. «Однако формирование игл с основанием в виде треугольника из трёх атомов золота вместо почти сферического кластера стало счастливой находкой, которая была далеко за пределами нашего воображения».
Снимки структуры, полученные исследователями, значительно способствуют пониманию механизма формирования золотых нанокластеров. Цукуда уже думает о следующих шагах. «Мы хотели бы изучить синтез других уникальных нанокластеров, дополнительно усовершенствовав условия синтеза. Мы также хотели бы сотрудничать с другими экспертами для продвижения применения золотых квантовых игл, используя их исключительные оптические свойства».
Предоставлено Университетом Токио.