Các nhà nghiên cứu Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki và Tatsuya Tsukuda của Đại học Tokyo đã xác định và quan sát được cấu trúc hình học của các cụm nano vàng đang phát triển ở giai đoạn sớm nhất của chúng. Trong quá trình này, họ cũng đã phát triển thành công một cấu trúc mới của các cụm nano kéo dài, mà họ đặt tên là kim lượng tử vàng.

Nhờ khả năng phản ứng với ánh sáng trong dải cận hồng ngoại, những cây kim này có thể giúp chụp ảnh y sinh có độ phân giải cao hơn nhiều và chuyển đổi năng lượng ánh sáng hiệu quả hơn. Những phát hiện này đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.

Mặc dù vàng có thể gợi lên hình ảnh về sự lộng lẫy và sang trọng, nó cũng là một yếu tố thiết yếu của công nghệ nano hiện đại nhờ các cấu trúc và đặc tính độc đáo ở cấp độ nanomet.

Các cụm nano vàng gồm ít hơn 100 nguyên tử thường được tổng hợp bằng cách khử, nghĩa là thêm electron, các ion tiền chất vàng với sự hiện diện của các phối tử bảo vệ. Tuy nhiên, việc tổng hợp các cụm nano vàng có kích thước, hình dạng và thành phần mong muốn vẫn là một thách thức.

Tsukuda cho biết: "Trong những năm qua, nhiều nỗ lực đã được dành để tìm hiểu mối tương quan giữa cấu trúc và các đặc tính hóa lý của các cụm nano. Tuy nhiên, quá trình hình thành được coi là một hộp đen. Chúng tôi đã khởi xướng dự án này với niềm tin rằng việc hiểu các giai đoạn ban đầu của quá trình hình thành cụm sẽ dẫn đến việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, có mục tiêu cho các cấu trúc mong muốn".

Do đó, các nhà nghiên cứu đã đặt mục tiêu xác định các cấu trúc hình học của các cụm nano vàng ở giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành. Họ đã sử dụng các điều kiện tổng hợp hơi bất thường để giữ lại các cụm nano ở những giai đoạn phát triển đầu tiên.

Phân tích nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, một loại tia X cho các hợp chất hóa học, nếu bạn muốn, đã tiết lộ rằng các cụm nano vàng phát triển một cách dị hướng, với tốc độ khác nhau ở các hướng khác nhau. Hơn nữa, phân tích đã tiết lộ một cấu trúc hoàn toàn mới: các cụm nano có hình bút chì bao gồm các trimer hình tam giác và các tetramer hình tứ diện.

Các nhà nghiên cứu đã đặt tên cho chúng là kim lượng tử vàng bởi vì các electron bị giam cầm trong các cụm nano này đã thể hiện hành vi lượng tử, một hiện tượng lượng tử trong đó các electron chỉ có thể có các năng lượng tiềm năng cụ thể. "Chúng tôi có thể giải thích ngược lại các quá trình hình thành của một loạt các cụm nano vàng nhỏ trong các điều kiện tổng hợp bất thường của chúng tôi", Tsukuda giải thích. "Tuy nhiên, sự hình thành các kim có đáy là một hình tam giác của ba nguyên tử vàng thay vì một cụm gần như hình cầu là một phát hiện tình cờ, vượt xa trí tưởng tượng của chúng tôi".

Các bức ảnh chụp cấu trúc mà các nhà nghiên cứu thu được về sự phát triển từng bước của các cụm nano vàng đã đóng góp rất lớn vào sự hiểu biết của chúng ta về cơ chế hình thành. Tuy nhiên, Tsukuda đã nghĩ về những bước tiếp theo. "Chúng tôi muốn khám phá việc tổng hợp các cụm nano độc đáo khác bằng cách tinh chỉnh thêm các điều kiện tổng hợp. Chúng tôi cũng muốn hợp tác với các chuyên gia khác để thúc đẩy ứng dụng của kim lượng tử vàng, tận dụng các đặc tính quang học đặc biệt của chúng".

P.T.T (NASTIS), theo https://phys.org/news/, 2025