Men dacht dat dit onmogelijk was: wetenschappers hebben een verborgen wereld ontdekt met behulp van nieuw ontdekte eigenschappen van een grafeenachtig materiaal

Onderzoekers van EPFL en de Universiteit van Manchester hebben de geheimen van nanovloeistoffen ontdekt met behulp van 2D-materie en licht.

Verwacht wordt dat de vooruitgang op het gebied van de nanofluïdica een revolutie teweeg zal brengen in ons begrip van de moleculaire dynamiek op kleine schaal. Samenwerkingsinspanningen van wetenschappers van EPFL en de Universiteit van Manchester hebben een voorheen verborgen wereld onthuld met behulp van nieuw ontdekte fluorescerende eigenschappen van… Grafeen– Zoals 2D-materialen, boornitride. Deze innovatieve aanpak stelt wetenschappers in staat individuele moleculen binnen nanofluïdische structuren te volgen, waardoor licht wordt geworpen op hun gedrag op manieren die voorheen niet mogelijk waren. De resultaten van het onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur materialen.

Nanofluidics, de studie van vloeistoffen die zich in zeer kleine ruimtes bevinden, geeft inzicht in het gedrag van vloeistoffen op nanometerschaal. Het onderzoeken van de beweging van afzonderlijke moleculen in dergelijke beperkte omgevingen is echter moeilijk geweest vanwege de beperkingen van conventionele microscopietechnieken. Dit obstakel heeft real-time detectie en beeldvorming verhinderd, waardoor er aanzienlijke hiaten zijn ontstaan ​​in onze kennis van moleculaire eigenschappen.

Microscopische beperkingen overwinnen

Dankzij een onverwachte eigenschap van boornitride hebben EPFL-onderzoekers bereikt wat voorheen voor onmogelijk werd gehouden. Dit tweedimensionale materiaal heeft het opmerkelijke vermogen om licht uit te stralen wanneer het in contact komt met vloeistoffen. Door gebruik te maken van deze eigenschap zijn wetenschappers van het Nanobiology Laboratory van EPFL erin geslaagd de trajecten van individuele moleculen binnen nanofluïdische structuren direct te observeren en te volgen. Deze ontdekking opent de deur naar een dieper begrip van het gedrag van ionen en moleculen in omstandigheden die biologische systemen nabootsen.

Breedveldfluorescentiebeelden van een hBN-kristal onder 3,5 kW/cm2 561 nm laserlichtverlichting met een belichtingstijd van 1 s. Krediet: EPFL

“Vooruitgang in de productie- en materiaalkunde heeft ons in staat gesteld het transport van vloeistoffen en ionen in de ruimte te beheersen Nano-schaal. Ons begrip van nanofluïdische systemen is echter beperkt gebleven, omdat conventionele optische microscopie niet in staat is structuren onder de diffractielimiet te penetreren. Ons onderzoek werpt nu een licht op nanovloeistoffen en biedt inzicht in een wereld die tot nu toe grotendeels onbekend was.

Toekomstige toepassingen en mogelijkheden

Dit nieuwe begrip van moleculaire eigenschappen heeft opwindende toepassingen, waaronder het potentieel voor directe beeldvorming van opkomende nanofluïdische systemen, waarbij vloeistoffen onconventioneel gedrag vertonen onder druk- of spanningsstimuli. De kern van het onderzoek ligt in de fluorescentie die uit monomeren voortkomtFoton Emitters op het oppervlak van hexagonaal boornitride. “Deze fluorescentie-activatie kwam onverwachts, omdat noch hBN, noch de vloeistof op zichzelf zichtbare fluorescentie vertoonde. Het komt hoogstwaarschijnlijk voort uit de interactie van moleculen met oppervlaktedefecten op het kristal, maar we weten nog steeds niet zeker of dit het precieze mechanisme is.”

Oppervlaktedefecten kunnen atomen zijn die ontbreken in de kristalstructuur en die andere eigenschappen hebben dan het oorspronkelijke materiaal, waardoor ze het vermogen hebben om licht uit te zenden wanneer ze in wisselwerking staan ​​met bepaalde moleculen. De onderzoekers merkten ook op dat wanneer een defect wordt uitgeschakeld, een van de buren oplicht, omdat het molecuul dat aan de eerste locatie is gebonden, naar de tweede locatie springt. Dit maakt stap voor stap de reconstructie van volledige moleculaire routes mogelijk.

Met behulp van een reeks microscopietechnieken observeerde het team de kleurveranderingen en toonde aan dat deze lichtemitters één voor één fotonen vrijgeven, waardoor nauwkeurige informatie over hun directe omgeving tot op ongeveer een nanometer nauwkeurig wordt verkregen. Dankzij deze doorbraak kunnen deze emitters worden gebruikt als sondes op nanoschaal, waardoor licht wordt geworpen op de rangschikking van moleculen in besloten nanometerruimtes.

Samenwerkings- en visualisatietechnieken

De groep van professor Radha Boya bij de afdeling natuurkunde van Manchester vervaardigde nanokanalen van 2D-materialen, waarbij vloeistoffen werden beperkt tot slechts nanometers van het hBN-oppervlak. Deze samenwerking maakte het mogelijk om deze systemen visueel te onderzoeken en hints te onthullen over de vloeiende orde die door opsluiting wordt veroorzaakt. “Zien is geloven, maar het is niet eenvoudig om de effecten van opsluiting op deze schaal te zien. We hebben deze extreem dunne, spleetachtige kanalen gemaakt en de huidige studie laat een elegante manier zien om ze via superresolutiemicroscopie te visualiseren”, zegt Radha Pooya.

De waarschijnlijkheid van deze ontdekking is op de lange termijn. Nathan Ronceray voorziet toepassingen die verder gaan dan passieve detectie. “We hebben in de eerste plaats het gedrag van hBN-bevattende moleculen geobserveerd zonder er actief mee in wisselwerking te staan, maar we denken dat ze kunnen worden gebruikt om stromingen op nanoschaal te visualiseren die worden gegenereerd door druk of elektrische velden.” Dit zou in de toekomst kunnen leiden tot meer dynamische toepassingen voor optische beeldvorming en detectie, waardoor ongekende inzichten kunnen worden verkregen in het complexe gedrag van moleculen in deze krappe ruimtes.

Referentie: “Vloeistofgeactiveerde kwantumemissie van ongerept hexagonaal boornitride voor nanofluïdische detectie” door 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 en Alexandra Radinovic, 31 augustus 2023, Natuur materialen.
doi: 10.1038/s41563-023-01658-2