O nouă descoperire în nanofluidică le permite cercetătorilor să urmărească molecule individuale în spații înguste folosind proprietățile fluorescente ale nitrurii de bor, dezvăluind noi perspective asupra comportamentului molecular și deschizând calea pentru progrese în imagistica optică și detecție. Mai sus este o demonstrație a modului în care noi cercetări pot dezvălui misterul mișcării moleculare în spații la scară nanometrică. Credit: Tetouan Viwit/EPFL
Cercetătorii de la EPFL și de la Universitatea din Manchester au descoperit secretele nanofluidelor folosind materie 2D și lumină.
Progresele în nanofluidice sunt de așteptat să revoluționeze înțelegerea noastră a dinamicii moleculare la scară mică. Eforturile de colaborare ale oamenilor de știință de la EPFL și de la Universitatea din Manchester au dezvăluit o lume ascunsă anterior, folosind proprietăți fluorescente recent descoperite ale… Grafen– Cum ar fi materiale 2D, nitrură de bor. Această abordare inovatoare le permite oamenilor de știință să urmărească moleculele individuale din structurile nanofluide, aruncând lumină asupra comportamentului lor în moduri care nu erau posibile anterior. Rezultatele studiului au fost publicate recent în jurnal Materiale naturale.
Nanofluidica, studiul fluidelor limitate la spații foarte mici, oferă o perspectivă asupra comportamentului fluidelor la scara nanometrică. Cu toate acestea, explorarea mișcării moleculelor individuale în astfel de medii închise a fost dificilă din cauza limitărilor tehnicilor convenționale de microscopie. Acest obstacol a împiedicat detectarea și imagistica în timp real, lăsând lacune semnificative în cunoștințele noastre despre proprietățile moleculare în izolare.
Depășirea limitărilor microscopice
Datorită unei proprietăți neașteptate a nitrurii de bor, cercetătorii EPFL au reușit ceea ce până acum se credea imposibil. Acest material bidimensional are capacitatea remarcabilă de a emite lumină în contact cu lichidele. Profitând de această proprietate, oamenii de știință de la Laboratorul de Nanobiologie al EPFL au reușit să observe și să urmărească în mod direct traiectoriile moleculelor individuale în structurile nanofluide. Această descoperire deschide ușa către o înțelegere mai profundă a comportamentelor ionilor și moleculelor în condiții care imită sistemele biologice.
Imagini cu fluorescență cu câmp larg ale unui cristal hBN sub 3,5 kW/cm2 iluminare cu lumină laser 561 nm cu un timp de expunere de 1 s. Credit: EPFL
„Progresele în producție și știința materialelor ne-au permis să controlăm transportul fluidelor și ionice în interior Scara nano. Cu toate acestea, înțelegerea noastră a sistemelor nanofluidice a rămas limitată, deoarece microscopia optică convențională nu a putut pătrunde în structuri sub limita de difracție. Cercetările noastre aruncă acum o lumină asupra nanofluidelor, oferind o perspectivă asupra unei lumi care a fost în mare parte necunoscută până acum.
Aplicații și posibilități viitoare
Această nouă înțelegere a proprietăților moleculare are aplicații interesante, inclusiv potențialul de imagistică directă a sistemelor nanofluide emergente, în care fluidele prezintă comportamente neconvenționale sub stimuli de presiune sau tensiune. Cheia cercetării constă în fluorescența care emerge din monomeriFoton Emițători de pe suprafața nitrurii de bor hexagonale. „Această activare a fluorescenței a venit în mod neașteptat, deoarece nici hBN, nici lichidul nu au prezentat fluorescență vizibilă singure. Cel mai probabil, apare din interacțiunea moleculelor cu defecte de suprafață pe cristal, dar încă nu suntem siguri dacă mecanismul precis.”
Defectele de suprafață pot fi atomi lipsă în structura cristalină, care au proprietăți diferite față de materialul original, dându-le capacitatea de a emite lumină atunci când interacționează cu anumite molecule. Cercetătorii au observat, de asemenea, că atunci când un defect se stinge, unul dintre vecinii săi se aprinde, deoarece molecula legată de primul loc sare pe al doilea. Pas cu pas, acest lucru permite reconstrucția întregii căi moleculare.
Folosind o serie de tehnici de microscopie, echipa a observat schimbările de culoare și a demonstrat că acești emițători de lumină eliberează fotoni pe rând, oferind informații precise despre împrejurimile lor imediate la aproximativ un nanometru. Această descoperire permite acestor emițători să fie utilizați ca sonde la scară nanometrică, aruncând lumină asupra aranjamentului moleculelor în spații nanometrice limitate.
Tehnici de colaborare și vizualizare
Grupul profesorului Radha Boya din Departamentul de Fizică din Manchester a fabricat nanocanale din materiale 2D, limitând lichidele la doar nanometri ai suprafeței hBN. Acest parteneriat a făcut posibilă examinarea vizuală a acestor sisteme, dezvăluind indicii despre ordinea fluidă cauzată de izolare. „A vedea înseamnă a crede, dar nu este ușor să vezi efectele izolării la această scară. Am realizat aceste canale extrem de subțiri, asemănătoare cu fante, iar studiul actual arată o modalitate elegantă de a le vizualiza prin microscopie de super-rezoluție”. spune Radha Pooya.
Probabilitatea acestei descoperiri este pe termen lung. Nathan Ronceray are în vedere aplicații dincolo de detectarea pasivă. „Am observat în primul rând comportamentul moleculelor care conțin hBN fără a interacționa activ cu ele, dar credem că pot fi folosite pentru a vizualiza fluxurile la scară nanometrică generate de presiune sau câmpuri electrice.” Acest lucru ar putea duce la aplicații mai dinamice în viitor pentru imagini optice și detecție, oferind perspective fără precedent asupra comportamentelor complexe ale moleculelor din aceste spații înguste.
Referință: „Emisia cuantică activată de lichid din nitrură de bor hexagonală curată pentru detectarea nanofluidică” de Nathan Runcray, Yi Yu, Evgeny Glushkov, Martina Lehter, Benjamin Riehl, Tzu-Hing Chen, Gwang Hyun-nam, Fanny Borza, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Sylvie Rock, Ashok Keerthi, Jean Comtet, Pouya Radha și Alexandra Radinovic, 31 august 2023, Materiale naturale.
doi: 10.1038/s41563-023-01658-2
„Iubitor tipic de twitter. Muzicholic pe tot parcursul vieții. Fanatic al culturii pop. Prieten al animalelor de pretutindeni. Evanghelist avid de bere. Jucător certificat.”