Uważano, że jest to niemożliwe – naukowcy odkryli ukryty świat, wykorzystując nowo odkryte właściwości materiału przypominającego grafen

Naukowcy z EPFL i Uniwersytetu w Manchesterze odkryli tajemnice nanocieczy, wykorzystując materię 2D i światło.

Oczekuje się, że postępy w nanofluidyce zrewolucjonizują nasze rozumienie dynamiki molekularnej w małych skalach. Wspólne wysiłki naukowców z EPFL i Uniwersytetu w Manchesterze odsłoniły wcześniej ukryty świat, wykorzystując nowo odkryte właściwości fluorescencyjne… Grafen– Takie jak materiały 2D, azotek boru. To innowacyjne podejście umożliwia naukowcom śledzenie poszczególnych cząsteczek w strukturach nanofluidycznych, rzucając światło na ich zachowanie w sposób wcześniej niemożliwy. Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Materiały natury.

Nanofluidyka, badanie płynów ograniczonych do bardzo małych przestrzeni, zapewnia wgląd w zachowanie płynów w skali nanometrowej. Jednakże badanie ruchu pojedynczych cząsteczek w tak zamkniętych środowiskach było trudne ze względu na ograniczenia konwencjonalnych technik mikroskopowych. Ta przeszkoda uniemożliwia wykrywanie i obrazowanie w czasie rzeczywistym, pozostawiając znaczne luki w naszej wiedzy na temat właściwości molekularnych w zamknięciu.

Pokonywanie ograniczeń mikroskopowych

Dzięki nieoczekiwanym właściwościom azotku boru badaczom z EPFL udało się osiągnąć to, co wcześniej uważano za niemożliwe. Ten dwuwymiarowy materiał ma niezwykłą zdolność emitowania światła w kontakcie z cieczami. Wykorzystując tę ​​właściwość, naukowcom z Laboratorium Nanobiologii EPFL udało się bezpośrednio obserwować i śledzić trajektorie poszczególnych cząsteczek w strukturach nanofluidycznych. Odkrycie to otwiera drzwi do głębszego zrozumienia zachowań jonów i cząsteczek w warunkach naśladujących systemy biologiczne.

Obrazy fluorescencji o szerokim polu widzenia kryształu hBN przy oświetleniu światłem laserowym o mocy 3,5 kW/cm2 i długości fali 561 nm przy czasie ekspozycji 1 s. Źródło: EPFL

„Postępy w produkcji i materiałoznawstwie umożliwiły nam kontrolowanie transportu płynów i jonów Skala nano. Jednak nasza wiedza na temat układów nanocieczowych pozostaje ograniczona, ponieważ konwencjonalna mikroskopia optyczna nie jest w stanie przeniknąć struktur poniżej granicy dyfrakcji. Nasze badania rzucają obecnie światło na nanopłyny, zapewniając wgląd w świat, który do tej pory był w dużej mierze nieznany.

Przyszłe zastosowania i możliwości

To nowe zrozumienie właściwości molekularnych ma ekscytujące zastosowania, w tym możliwość bezpośredniego obrazowania powstających układów nanocieczowych, w których płyny wykazują niekonwencjonalne zachowania pod wpływem bodźców ciśnieniowych lub napięciowych. Sedno badań leży w fluorescencji wyłaniającej się z monomerówFoton Emitery na powierzchni sześciokątnego azotku boru. „Ta aktywacja fluorescencji nastąpiła nieoczekiwanie, ponieważ ani hBN, ani ciecz same nie wykazywały widocznej fluorescencji. Najprawdopodobniej wynika to z interakcji cząsteczek z defektami powierzchniowymi kryształu, ale nadal nie jesteśmy pewni, czy istnieje dokładny mechanizm. „

Wadami powierzchniowymi mogą być brakujące w strukturze kryształu atomy, które mają właściwości odmienne od materiału pierwotnego, dając im zdolność emitowania światła podczas interakcji z określonymi cząsteczkami. Naukowcy zaobserwowali również, że gdy defekt się wyłącza, jeden z jego sąsiadów zapala się, ponieważ cząsteczka związana z pierwszym miejscem przeskakuje do drugiego miejsca. Umożliwia to krok po kroku rekonstrukcję całych szlaków molekularnych.

Korzystając z szeregu technik mikroskopowych, zespół zaobserwował zmiany koloru i wykazał, że te emitery światła uwalniają fotony pojedynczo, dostarczając dokładnych informacji o ich bezpośrednim otoczeniu z dokładnością do około nanometra. Ten przełom umożliwia wykorzystanie tych emiterów jako sond w skali nano, rzucających światło na rozmieszczenie cząsteczek w ograniczonych przestrzeniach nanometrowych.

Techniki współpracy i wizualizacji

Grupa profesora Radhy Boya na Wydziale Fizyki w Manchesterze wyprodukowała nanokanały z materiałów 2D, ograniczając ciecze do zaledwie nanometrów powierzchni hBN. To partnerstwo umożliwiło wizualne zbadanie tych systemów, ujawniając wskazówki dotyczące porządku płynów spowodowanego zamknięciem. „Widzieć znaczy wierzyć, ale w tej skali nie jest łatwo dostrzec skutki zamknięcia. Stworzyliśmy te niezwykle cienkie, przypominające szczelinę kanały, a obecne badanie pokazuje elegancki sposób wizualizacji ich za pomocą mikroskopii o super rozdzielczości.” mówi Radha Pooya.

Prawdopodobieństwo tego odkrycia jest długoterminowe. Nathan Ronceray przewiduje zastosowania wykraczające poza wykrywanie pasywne. „Przede wszystkim obserwowaliśmy zachowanie cząsteczek zawierających hBN bez aktywnej interakcji z nimi, ale wierzymy, że można je wykorzystać do wizualizacji przepływów w nanoskali generowanych przez ciśnienie lub pola elektryczne”. Może to zaowocować w przyszłości bardziej dynamicznymi zastosowaniami obrazowania i wykrywania optycznego, zapewniając bezprecedensowy wgląd w złożone zachowania cząsteczek w tych ciasnych przestrzeniach.

Odniesienie: „Emisja kwantowa aktywowana cieczą z dziewiczego sześciokątnego azotku boru do wykrywania nanofluidów”: 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 i Alexandra Radinovic, 31 sierpnia 2023 r., Materiały natury.
doi: 10.1038/s41563-023-01658-2