大多數人提到黃金時，腦海中浮現的通常是珠寶或財寶。然而，從原子層面來看，黃金的行為對科學的價值遠超過其在時尚界的應用。東京大學的研究人員成功捕捉到了黃金納米團簇生長的第一步，這些團簇由幾十個原子組成，這是科學家多年來一直在追尋的成果。在這個過程中，他們意外發現了一種全新的形狀——長而針狀的團簇，並將其命名為黃金量子針。
根據研究人員的說法，這些量子針在近紅外光範圍內的光學互動非常強烈，未來有可能用於提升醫療影像的清晰度，並使光能轉換設備更為高效。黃金納米團簇通常由少於 100 個原子組成，這些團簇是通過給予金離子額外的電子，同時用稱為配體的分子來穩定它們而生成的。然而，控制這一過程一直是個大難題，這些團簇的生長往往不受控制，使得精確生產特定形狀或尺寸變得幾乎不可能。
研究人員知道，結構決定了納米團簇的行為，但結構首次開始形成的瞬間卻一直處於隱蔽狀態。東京大學的化學教授、研究作者之一的塚田達也指出，過去幾年中，對於納米團簇結構與物理化學性質之間的關係做了大量努力，然而形成過程卻被視為一個黑箱。為了解開這個謎題，研究人員採取了一種不尋常的技巧，他們通過改變反應條件故意放慢生長過程，這使他們得以在團簇的最初時刻對其進行冷凍觀察，從而捕捉到它們尚未轉變為更穩定形態的狀態。
隨後，他們使用單晶 X 射線衍射技術對捕獲的團簇進行分析，這種技術能夠準確揭示每個原子的位置信息。結果出乎意料，團簇並不是均勻地向各個方向生長，而是呈現出不均勻的生長模式，某些方向的生長速度快於其他方向。更令人驚訝的是，原子排列成了由三個（稱為三聚體）和四個（稱為四聚體）金原子組成的延長形狀。由於這些纖細結構內的電子只能占據固定的能量狀態，這是量子行為的一個特徵，因此研究小組將其命名為量子針。
通過逐步繪製納米團簇的生長過程，研究作者為原子建築塊如何組合提供了難得的視角。這可能會導致新方法的發展，以便精確製作出具有所需形狀和性質的團簇，而不是將生長過程完全交由機會決定。此外，量子針本身可能因其與近紅外光的互動能力而在現實世界中找到應用，這一特性對於提高生物醫學影像的清晰度以及將陽光轉換為可用能量的設備尤其重要。然而，要大規模生產這些量子針並對其進行改造以用於實際設備，仍需更多的努力。研究作者目前計劃精細調整其合成方法，並探索是否可以用黃金或其他金屬製作出其他不尋常的形狀。該研究已發表在《美國化學學會期刊》中。
