En un laboratorio de Tokio, un cambio de color en una disolución de oro reveló algo inesperado. Pasó de un amarillo pálido a un negro rojizo, señal de que algo fuera de lo común estaba ocurriendo a escala atómica. Lo que parecía un simple paso intermedio en un proceso químico se convirtió en un descubrimiento singular: la formación de unas estructuras diminutas, alargadas y altamente organizadas que los investigadores bautizaron como "agujas de oro cuánticas".
Estas estructuras, invisibles al ojo humano y compuestas por apenas decenas de átomos, presentan propiedades ópticas tan peculiares que han despertado un interés inmediato en campos como la imagen biomédica y la conversión de energía. El hallazgo fue realizado por el equipo de Shinjiro Takano, Yuya Hamasaki y Tatsuya Tsukuda en la Universidad de Tokio y publicado en Journal of the American Chemical Society. Lo notable no es solo el resultado final, sino el hecho de que estas agujas nacieron bajo condiciones experimentales que se apartan de lo habitual y que desvelan aspectos fundamentales del crecimiento de nanoclústeres metálicos.
Un crecimiento fuera de lo común
La mayoría de 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 observó algo distinto al ralentizar deliberadamente el proceso de reducción de los precursores de oro. En lugar de esferas, emergieron núcleos alargados, formados por unidades básicas triangulares (Au₃) y tetraédricas (Au₄), dispuestas de manera lineal.
Este tipo de crecimiento se denomina anisotrópico, lo que significa que no ocurre de manera uniforme en todas las direcciones. Como resultado, las estructuras se estiran en una dirección específica, formando núcleos similares a lápices o agujas. Estas configuraciones no solo son raras, sino también muy valiosas desde el punto de vista físico, porque los electrones confinados en ellas no se comportan como en un material convencional.
Según los autores, "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". Esta afirmación representa un paso significativo hacia la comprensión del crecimiento atómico dirigido.
Qué hace cuánticas a estas agujas
El término "cuánticas" no es decorativo. Estas agujas presentan un comportamiento propio de sistemas en los que los electrones no pueden ocupar cualquier nivel de energía, sino solo niveles discretos. Este fenómeno, conocido como confinamiento cuántico, ocurre cuando los electrones están atrapados en una región tan pequeña que sus movimientos quedan restringidos por las leyes de la mecánica cuántica.
Una de las evidencias más notables de este comportamiento 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 que no es común en estructuras metálicas de este tamaño. Estas longitudes de onda corresponden a transiciones electrónicas entre niveles energéticos bien definidos, similares a los de un electrón en una caja unidimensional.
Según el artículo original: "debido a su diámetro extremadamente delgado y sus estructuras electrónicas cuantizadas, proponemos llamar a estas especies anisotrópicas ‘agujas cuánticas de oro’". Esta propuesta se sustenta no solo en los datos de difracción de rayos X, sino también en cálculos de estructura electrónica y propiedades ópticas.
De lo experimental a lo funcional
Aunque las agujas cuánticas son producto de un entorno experimental muy controlado, sus propiedades abren la puerta a aplicaciones tecnológicas de alto impacto. Por un lado, su fuerte respuesta en el infrarrojo cercano las hace ideales para técnicas de imagen biomédica. Esta región del espectro es especialmente útil porque penetra profundamente en los tejidos humanos sin causar daño, y permite obtener imágenes internas de gran resolución.
Por otro lado, estas estructuras también podrían aprovecharse en sistemas de conversión de energía solar, como dispositivos que transformen la luz en electricidad o reacciones químicas activadas por luz. Su capacidad para absorber luz en rangos poco habituales les otorga una ventaja en el diseño de materiales fotónicos avanzados.
Además, según los resultados del estudio, estas agujas presentan emisión dual de luz en el infrarrojo, lo que indica la presencia simultánea de procesos de fluorescencia y fosforescencia. Esta característica sugiere posibles usos en sensores ópticos y marcadores biológicos, donde distinguir entre señales de distinta duración y energía es clave.
Cómo se logró el hallazgo
El método empleado para obtener estas estructuras se aparta del enfoque tradicional. En lugar de usar un exceso de tioles y agentes reductores fuertes, como se hace normalmente, el equipo utilizó cantidades casi estequiométricas de ligando y un reductor suave. Esta estrategia permitió formar los núcleos de oro sin que se disolvieran o crecieran de manera descontrolada.
Durante la síntesis, los investigadores observaron la aparición de varios clústeres pequeños, como Au₁₅, Au₂₂, Au₂₃, Au₂₅, Au₃₃ y Au₃₄, cada uno con configuraciones atómicas precisas. Estos fueron identificados mediante difracción de rayos X en monocristales, una técnica que proporciona imágenes detalladas de la disposición atómica.
Lo más sorprendente fue que los clústeres con núcleo icosaédrico (esférico), que suelen ser los más estables y frecuentes, aparecieron en muy baja proporción. En cambio, los clústeres alargados tipo aguja fueron dominantes, algo que nunca se había observado de forma tan clara en esta familia de materiales.
Qué podemos esperar a partir de ahora
Este descubrimiento no cierra una etapa, sino que abre muchas nuevas. El grupo de investigación ya ha anunciado su intención de refinar aún más las condiciones de síntesis para generar otras estructuras anisotrópicas con propiedades emergentes. También planean colaborar con especialistas en bioimagen y energía para explorar aplicaciones prácticas de estas agujas.
Según señala 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 otras palabras, lo importante no es solo haber visto crecer una nueva forma de materia, sino haber aprendido a guiar ese crecimiento con precisión.
Además, 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.
