Учёные создали золотые квантовые иглы для улучшения медицинской визуализации

Структурная эволюция нанокластеров золота: от анизотропного зарождения до роста в золотые квантовые иглы. Структуры определены с помощью рентгеновской кристаллографии. Органические остатки поверхностных лигандов опущены для ясности. Цветовая кодировка: Au (золото): жёлтый; S: красный. Автор: Такано и др. 2025

Исследователи Синдзиро Такано, Юя Хамасаки и Тацуя Цукуда из Токийского университета успешно визуализировали геометрическую структуру растущих нанокластеров золота на самых ранних стадиях. В ходе этого процесса им также удалось вырастить новую структуру вытянутых нанокластеров, которую они назвали золотыми квантовыми иглами.

Благодаря их чувствительности к свету в ближнем инфракрасном диапазоне эти иглы могут обеспечить значительно более высокое разрешение биомедицинской визуализации и более эффективное преобразование световой энергии. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Хотя золото может вызывать образы помпезности и роскоши, оно также является важным элементом современной нанотехнологии благодаря своим уникальным структурам и свойствам на наноуровне.

Нанокластеры золота, состоящие менее чем из 100 атомов, обычно синтезируют путём восстановления (добавления электронов) ионов-предшественников золота в присутствии защитных лигандов. Однако синтез нанокластеров золота желаемого размера, формы и состава до сих пор остаётся сложной задачей.

«За последние годы, — говорит Цукуда, главный исследователь, — было приложено много усилий для понимания корреляции между структурой и физико-химическими свойствами нанокластеров. Однако процесс их формирования считается „чёрным ящиком“. Мы начали этот проект с убеждением, что понимание начальных стадий формирования кластеров приведёт к разработке новых целенаправленных методов синтеза желаемых структур».

Исследователи поставили перед собой задачу определить геометрические структуры нанокластеров золота на начальных стадиях их формирования. Они использовали слегка необычные условия синтеза, чтобы «поймать» нанокластеры на самых первых стадиях роста.

Рентгеноструктурный анализ монокристаллов, своего рода «рентген для химических соединений», показал, что нанокластеры золота росли анизотропно — с разной скоростью в разных направлениях. Более того, анализ выявил совершенно новую структуру: карандашеобразные нанокластеры, состоящие из треугольных тримеров и тетраэдрических тетрамеров.

Исследователи назвали их золотыми квантовыми иглами, потому что электроны, заключённые в этих нанокластерах, демонстрировали квантованное поведение — квантовый феномен, при котором электроны могут принимать только определённые потенциальные энергии.

«Мы смогли ретроспективно объяснить процессы формирования серии малых нанокластеров золота в наших необычных синтетических условиях, — объясняет Цукуда. — Однако формирование игл с основанием в виде треугольника из трёх атомов золота вместо почти сферического кластера — это случайная находка, которая далеко превзошла наши ожидания».

Структурные «снимки» поэтапного роста нанокластеров золота, полученные исследователями, значительно способствуют пониманию механизма их формирования. Однако Цукуда уже думает о следующих шагах.

«Мы хотели бы исследовать синтез других уникальных нанокластеров, дальнейшее уточнение условий синтеза. Мы также хотели бы сотрудничать с другими экспертами для продвижения применения золотых квантовых игл, используя их исключительные оптические свойства».

Больше информации: X-ray Crystallographic Visualization of a Nucleation and Anisotropic Growth in Thiolate-Protected Gold Clusters: Toward Targeted Synthesis of Gold Quantum Needles, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c11089

Источник: University of Tokyo