Ungewöhnliche Eigenschaften: Forschungsteam entdeckt neuartige Gold-Nanonadeln

In der Welt der Nanomaterialien entstehen immer wieder Strukturen, die weit über gängige Vorstellungen hinausgehen. Forscher:innen der University of Tokyo haben kürzlich eine ungewöhnliche Variante von Goldnanoklustern entdeckt: nadelartige Gebilde, die den Namen „Gold Quantum Needles“ tragen. Diese winzigen Strukturen zeigen Eigenschaften, die nicht nur für das Verständnis von Wachstumsprozessen interessant sind, sondern auch für mögliche Anwendungen in Medizin und Technik.

Wie entstehen die Gold Quantum Needles?

Goldnanokluster bestehen in der Regel aus wenigen Dutzend Atomen, die von Liganden stabilisiert werden. Unter üblichen Bedingungen wachsen sie zu annähernd kugelförmigen Gebilden. Das Team um Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki und Tatsuya Tsukuda wählte jedoch gezielt ungewöhnliche Synthesebedingungen, um die frühen Stadien dieses Wachstums einzufangen. Mit Hilfe von Einkristall-Röntgenstrukturanalysen zeigte sich, dass das Wachstum nicht gleichmäßig verläuft, sondern bevorzugt in eine Richtung. Auf diese Weise entstehen längliche Strukturen, deren Basis aus Dreier- und Vierergruppen von Goldatomen besteht.

„Die Bildung von Nadeln auf Grundlage eines Dreiecks aus drei Goldatomen anstelle eines kugelförmigen Clusters war ein unerwartetes Ergebnis, das weit über unsere Vorstellungen hinausging“, erklärt Tsukuda. Das Auftreten dieser Form verdeutlicht, dass selbst winzige Variationen in den Reaktionsbedingungen zu völlig neuen Geometrien führen können.

Eigenschaften und optische Merkmale

Die Quantennadeln besitzen elektronische Zustände, die nur bestimmte Energieniveaus erlauben. Diese quantenmechanischen Effekte werden durch ihre ungewöhnliche Form zusätzlich verstärkt. Besonders auffällig ist die Reaktion auf Licht im nahen Infrarotbereich. In diesem Spektrum absorbieren und emittieren die Nadeln Strahlung, die biologisches Gewebe vergleichsweise gut durchdringt. Das macht sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für medizinische Bildgebungsverfahren.

Darüber hinaus zeigen Messungen, dass die Strukturen extrem dünn sind – nur wenige Atome breit – und sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz aufweisen. Bei bestimmten Clustern mit 33 oder 34 Goldatomen wurden charakteristische Peaks im Bereich zwischen 830 und 1000 Nanometern registriert. Solche Eigenschaften könnten auch in der Photovoltaik oder in nanooptischen Bauteilen von Nutzen sein, da sie eine gezielte Steuerung des Lichts erlauben.

Bedeutung und Herausforderungen

Die Beobachtung dieser Nadeln liefert neue Einblicke in die ersten Phasen des Clusterwachstums, das lange Zeit als eine Art Blackbox galt. „Über viele Jahre hinweg wurde die Beziehung zwischen Struktur und Eigenschaften untersucht, doch der Bildungsprozess selbst blieb unklar“, betonen die Forscher:innen. Indem es gelingt, diese frühen Stadien sichtbar zu machen, eröffnen sich Möglichkeiten für gezieltere Synthesestrategien.

Für praktische Anwendungen bestehen allerdings noch Hürden. Bislang wurden die Quantennadeln nur in kleinen Mengen und unter streng kontrollierten Laborbedingungen erzeugt. Fragen nach Stabilität, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit sind noch offen. Auch die Integration in biomedizinische oder technische Systeme erfordert zusätzliche Forschung, etwa zur Biokompatibilität oder zur Langzeitstabilität.

Dennoch macht die Entdeckung deutlich, wie sehr sich die Formenvielfalt von Nanostrukturen erweitern lässt, wenn Prozesse im richtigen Moment eingefangen werden. Die Gold Quantum Needles sind damit nicht nur ein überraschendes Forschungsresultat, sondern ein möglicher Ausgangspunkt für neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

via University of Tokyo

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