Un equipo de investigadores de la Universidad de Tokio ha realizado un descubrimiento notable al identificar unas diminutas estructuras conocidas como «agujas de oro cuánticas». Este hallazgo se produjo tras observar un cambio inesperado en una disolución de oro que pasó de un amarillo pálido a un negro rojizo, lo que indicaba que se estaba produciendo un proceso inusual a nivel atómico. Las agujas, compuestas por tan solo unas decenas de átomos, poseen propiedades ópticas que han despertado un gran interés en sectores como la imagen biomédica y la conversión de energía.
El descubrimiento fue llevado a cabo por el equipo formado por Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki y Tatsuya Tsukuda, cuyos resultados fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society. Lo que hace a estas agujas particularmente fascinantes es que su formación se produjo bajo condiciones experimentales poco convencionales, revelando aspectos cruciales sobre el crecimiento de nanoclústeres metálicos.
Un crecimiento atípico y sus implicaciones
Normalmente, los clústeres de oro a escala nanométrica tienden a adoptar formas esféricas debido a la simetría de sus enlaces atómicos. Sin embargo, el equipo japonés logró observar un fenómeno diferente al ralentizar intencionadamente el proceso de reducción de los precursores de oro. En lugar de esferas, emergieron núcleos alargados, compuestos por unidades triangulares (Au3) y tetraédricas (Au4), dispuestas de forma lineal. Este tipo de crecimiento es conocido como anisotrópico, lo que implica que no ocurre de manera uniforme, y da lugar a estructuras que se asemejan a agujas o lápices.
Estas configuraciones no solo son raras, sino que también poseen un gran valor físico, dado que los electrones confinados en ellas presentan un comportamiento diferente al de los materiales convencionales. Según los autores del estudio, «bajo nuestras condiciones sintéticas, el proceso dominante es el ensamblaje de unidades de Au3 y Au4, cada una con dos electrones, en una estructura anisotrópica, seguida por la pasivación con complejos no reducidos de Au(I)-SCTMS». Este hallazgo representa un avance significativo en la comprensión del crecimiento atómico dirigido.
Propiedades cuánticas y aplicaciones tecnológicas
El término «cuánticas» en la designación de estas agujas no es meramente decorativo. Estas estructuras exhiben un comportamiento característico de sistemas en los que los electrones están restringidos a niveles de energía discretos. Esto se conoce como confinamiento cuántico, que ocurre cuando los electrones quedan atrapados en un espacio tan reducido que se ven obligados a seguir las leyes de la mecánica cuántica.
Una de las evidencias más destacadas de este fenómeno es la absorción de luz en el infrarrojo cercano (NIR). Las agujas de oro identificadas como Au33(SCTMS)25 y Au34(SCTMS)26 presentan picos intensos de absorción a 770 y 755 nm, respectivamente, algo poco común en estructuras metálicas de este tamaño. Estas longitudes de onda corresponden a transiciones electrónicas entre niveles energéticos bien definidos, similares a las de un electrón en una caja unidimensional.
Los investigadores proponen que, debido a su diámetro extremadamente delgado y sus estructuras electrónicas cuantizadas, se les denomine «agujas cuánticas de oro». Esta propuesta se respalda no solo en los datos de difracción de rayos X, sino también en cálculos de estructura electrónica y propiedades ópticas.
A pesar de que las agujas cuánticas son un producto de un entorno experimental muy controlado, sus propiedades abren la puerta a aplicaciones tecnológicas de alto impacto. Su fuerte respuesta en el infrarrojo cercano las hace ideales para técnicas de imagen biomédica, ya que esta región del espectro puede penetrar profundamente en los tejidos humanos sin causar daño, permitiendo obtener imágenes internas de alta resolución. Además, estas estructuras podrían utilizarse en sistemas de conversión de energía solar, transformando la luz en electricidad o en reacciones químicas activadas por luz.
La capacidad de estas agujas para absorber luz en rangos poco habituales les otorga una ventaja en el diseño de materiales fotónicos avanzados. Según los resultados del estudio, también presentan emisión dual de luz en el infrarrojo, lo que sugiere la existencia simultánea de procesos de fluorescencia y fosforescencia, características que podrían ser útiles en sensores ópticos y marcadores biológicos.
El método utilizado para obtener estas estructuras se aleja de los enfoques tradicionales. En lugar de emplear un exceso de tioles y agentes reductores fuertes, el equipo utilizó cantidades casi estequiométricas de ligando y un reductor suave. Esta estrategia permitió formar núcleos de oro sin que se disolvieran o crecieran de manera descontrolada.
Los investigadores observaron la aparición de varios clústeres pequeños, como Au15, Au22, Au23, Au25, Au33 y Au34, cada uno con configuraciones atómicas precisas, identificadas mediante difracción de rayos X en monocristales. Lo más sorprendente fue que los clústeres con núcleo icosaédrico, que suelen ser los más estables y frecuentes, aparecieron en proporciones muy bajas, mientras que los alargados tipo aguja dominaron, un fenómeno nunca antes observado de manera tan clara en esta familia de materiales.
Este descubrimiento no concluye una etapa, sino que abre múltiples nuevas vías de investigación. El grupo de investigación ya ha manifestado su intención de refinar aún más las condiciones de síntesis para generar otras estructuras anisotrópicas con propiedades emergentes. Además, se plantean colaborar con especialistas en bioimagen y energía para explorar aplicaciones prácticas de estas agujas. Según el artículo, «este trabajo profundiza nuestra comprensión del mecanismo de formación de clústeres a nivel atómico y ofrece una ruta sintética novedosa para clústeres de oro altamente anisotrópicos». En resumen, no solo se ha observado una nueva forma de materia, sino que se ha aprendido a guiar su crecimiento con precisión.
Este tipo de estudios permite establecer modelos más realistas para otras estructuras de oro que, aunque conocidas por su composición, aún no habían podido ser visualizadas con claridad. Las agujas cuánticas aportan pistas valiosas para reconstruir la arquitectura de clústeres similares, con los que comparten número de átomos y ligandos.
Referencias: Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki, Tatsuya Tsukuda. 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. https://doi.org/10.1021/jacs.5c11089.
