Investigadores de la Universidad de Tokio, encabezados por los científicos Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki y Tatsuya Tsukuda, han logrado visualizar la estructura geométrica de los nanoclusters de oro en sus primeras etapas de crecimiento. Este avance ha permitido el desarrollo de una nueva estructura de nanoclusters alargados, denominada «aguas cuánticas de oro».
Las propiedades de estos «quantum needles» son particularmente interesantes debido a su respuesta a la luz en el rango del infrarrojo cercano, lo que podría facilitar una mayor resolución en técnicas de imagen biomédica y mejorar la conversión de energía luminosa. Los hallazgos fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society.
A pesar de que el oro evoca imágenes de lujo, es fundamental en la nanotecnología moderna gracias a sus estructuras y propiedades únicas a escala nanométrica. Los nanoclusters de oro, compuestos por menos de 100 átomos, se sintetizan generalmente mediante la reducción de iones de oro en presencia de ligandos protectores. Sin embargo, alcanzar el tamaño, forma y composición deseados en estos nanoclusters sigue siendo un reto significativo.
Según Tsukuda, principal investigador del estudio, «en los últimos años, se ha puesto mucho esfuerzo en entender la correlación entre la estructura y las propiedades fisicoquímicas de los nanoclusters. No obstante, el proceso de formación se considera una caja negra». El equipo inició este proyecto con la convicción de que comprender las etapas iniciales de la formación de los clusters conduciría a métodos de síntesis más específicos y dirigidos.
Avances en la comprensión de la formación de nanoclusters
Los investigadores se propusieron determinar las estructuras geométricas de los nanoclusters de oro en las etapas iniciales de su formación, utilizando condiciones de síntesis inusuales para atrapar los nanoclusters en los primeros momentos de crecimiento. Mediante análisis de difracción de rayos X de un solo cristal, se reveló que los nanoclusters de oro crecen anisotrópicamente, es decir, a diferentes velocidades en distintas direcciones. Este análisis también reveló una estructura completamente nueva: nanoclusters en forma de lápiz compuestos de trímeros triangulares y tetrameros tetraédricos.
Los investigadores decidieron nombrar a estas estructuras «aguas cuánticas de oro» porque los electrones confinados en estos nanoclusters exhiben un comportamiento cuantizado, un fenómeno cuántico en el que los electrones solo pueden adoptar energías potenciales específicas. «Pudimos explicar retroactivamente los procesos de formación de una serie de pequeños nanoclusters de oro bajo nuestras condiciones de síntesis inusuales», explica Tsukuda. «Sin embargo, la formación de agujas con una base triangular de tres átomos de oro, en lugar de un cluster casi esférico, es un hallazgo fortuito que superó nuestras expectativas».
Las instantáneas estructurales obtenidas por los investigadores del crecimiento progresivo de los nanoclusters de oro contribuyen significativamente a la comprensión del mecanismo de formación. No obstante, Tsukuda ya está pensando en los siguientes pasos: «Nos gustaría explorar la síntesis de otros nanoclusters únicos refinando aún más las condiciones de síntesis. También queremos colaborar con otros expertos para promover la aplicación de las agujas cuánticas de oro, aprovechando sus excepcionales propiedades ópticas».
Más información:
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
Proporcionado por la
Universidad de Tokio
