Gouden kwantumnaalden kunnen de resolutie van de beeldvorming verscherpen en de energieconversie vergroten

Structurele evolutie van gouden nanoclusters: van anisotrope nucleatie tot groei tot gouden kwantumnaalden. De structuren werden bepaald door röntgenkristallografie. Organische residuen van de oppervlakteliganden werden weggelaten voor duidelijkheid. Kleurcode: au (goud): geel; S: Rood. Credit: Takano et al 2025

Onderzoekers Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki en Tatsuya Tsukuda van de Universiteit van Tokio hebben in hun vroegste stadia met succes de geometrische structuur gevisualiseerd van groeiende gouden nanoclusters. Tijdens dit proces groeiden ze ook met succes een nieuwe structuur van langwerpige nanoclusters, die ze gouden kwantumnaalden noemden.

Dankzij hun reactievermogen op licht in het bijna-infraroodbereik kunnen deze naalden een veel hogere resolutie biomedische beeldvorming en efficiëntere licht-energie-conversie mogelijk maken. De bevindingen werden gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society.

Hoewel goud beelden van pracht en luxe kan oproepen, is het ook een essentieel element van moderne nanotechnologie vanwege de unieke structuren en eigenschappen op het nanoschaal.

Gouden nanoclusters bestaande uit minder dan 100 atomen worden meestal gesynthetiseerd door te verminderen, dat wil zeggen het toevoegen van elektronen, gouden voorloper -ionen in aanwezigheid van beschermende liganden. Het synthetiseren van gouden nanoclusters van de gewenste grootte, vorm en compositie is echter nog steeds een uitdaging.

“In de afgelopen jaren”, zegt Tsukuda, de hoofdonderzoeker, “is veel inspanningen besteed aan het begrijpen van de correlatie tussen de structuur en fysicochemische eigenschappen van de nanoclusters. Het vormingsproces wordt echter beschouwd als een zwarte doos.

De onderzoekers wilden dus de geometrische structuren van gouden nanoclusters bepalen in de beginfase van hun vorming. Ze gebruikten enigszins ongebruikelijke synthese -omstandigheden om de nanoclusters te vangen in de allereerste fasen van groei.

Single-kristal röntgendiffractie-analyse, een röntgenfoto voor chemische verbindingen, als je wilt, onthulde dat gouden nanoclusters anisotropisch groeiden, met een andere snelheid in verschillende richtingen. Bovendien onthulde de analyse een geheel nieuwe structuur: potloodvormige nanoclusters samengesteld uit driehoekige trimeren en tetraëdrische tetrameren.

De onderzoekers noemden ze gouden kwantumnaalden omdat de elektronen die in deze nanoclusters zijn beperkt, gekwantiseerd gedrag vertoonden, een kwantumfenomeen waarbij elektronen alleen specifieke potentiële energieën kunnen nemen.

“We kunnen de vormingsprocessen van een reeks kleine gouden nanoclusters met terugwerkende kracht uitleggen onder onze ongebruikelijke synthetische omstandigheden,” legt Tsukuda uit.

“De vorming van naalden met een basis van een driehoek van drie gouden atomen in plaats van een bijna sferische cluster is een serendipiteuze bevinding die veel buiten onze verbeelding lag.”

De structurele snapshots die de onderzoekers verwierven van de stapsgewijze groei van gouden nanoclusters dragen enorm bij aan ons begrip van het formatiemechanisme. Tsukuda denkt echter al aan de volgende stappen.

“We willen graag synthetiseren van andere unieke nanoclusters door de synthese -omstandigheden verder te verfijnen. We willen ook samenwerken met andere experts om de toepassing van gouden kwantumnaalden te bevorderen, waardoor hun uitzonderlijke optische eigenschappen worden gebruikt.”