En upptäckt inom området nanofluidik skulle kunna skaka om vår förståelse av molekylärt beteende på de minsta skalorna. Forskarlag vid EPFL och University of Manchester har avslöjat en tidigare dold värld genom att använda de nyfunna fluorescerande egenskaperna hos ett grafenliknande 2D-material, bornitrid. Detta innovativa tillvägagångssätt gör det möjligt för forskare att spåra enskilda molekyler inom nanofluidiska strukturer, och belysa deras beteende på ett sätt som aldrig tidigare varit möjligt.
Studiens resultat publiceras i tidskriften Nature Materials .
Nanofluidics, studien av vätskor instängda i ultrasmå utrymmen, ger insikter i vätskors beteende på nanometerskala. Att utforska enskilda molekylers rörelse i sådana begränsade miljöer har dock varit utmanande på grund av begränsningarna hos konventionella mikroskopitekniker. Detta hinder förhindrade avkänning och avbildning i realtid, vilket lämnade betydande luckor i vår kunskap om molekylära egenskaper i inneslutning.
Tack vare en oväntad egenskap hos bornitrid har EPFL:s forskare uppnått det som en gång ansågs omöjligt. Detta 2D-material har en anmärkningsvärd förmåga att avge ljus när det kommer i kontakt med vätskor. Genom att utnyttja denna egenskap har forskare vid EPFL:s Laboratory of Nanoscale Biology lyckats direkt observera och spåra individuella molekylers vägar inom nanofluidiska strukturer. Denna uppenbarelse öppnar dörren till en djupare förståelse av beteendet hos joner och molekyler under förhållanden som efterliknar biologiska system.
Professor Aleksandra Radenovic, chef för LBEN, förklarar, "Framsteg inom tillverkning och materialvetenskap har gett oss möjlighet att kontrollera fluid- och jontransport på nanoskala. Ändå förblev vår förståelse av nanofluidiska system begränsad, eftersom konventionell ljusmikroskopi inte kunde penetrera strukturer nedanför diffraktionsgränsen Vår forskning belyser nu nanofluidik, och ger insikter om en värld som till stor del var okända fram till nu."
Denna nyvunna förståelse av molekylära egenskaper har spännande tillämpningar, inklusive potentialen att direkt avbilda framväxande nanofluidiska system, där vätskor uppvisar okonventionella beteenden under tryck- eller spänningsstimuli. Forskningens kärna ligger i fluorescensen som härrör från enfotonemitters vid den hexagonala bornitridens yta.
"Denna fluorescensaktivering kom oväntat, eftersom varken hBN eller vätskan uppvisar synligt fluorescens på egen hand. Det uppstår troligen från molekyler som interagerar med ytdefekter på kristallen, men vi är fortfarande inte säkra på den exakta mekanismen", säger doktorand. student Nathan Ronceray, från LBEN.
Ytdefekter kan sakna atomer i den kristallina strukturen, vars egenskaper skiljer sig från det ursprungliga materialet, vilket ger dem förmågan att avge ljus när de interagerar med vissa molekyler. Forskarna observerade vidare att när en defekt stängs av tänds en av dess grannar, eftersom molekylen bunden till den första platsen hoppade till den andra. Steg för steg möjliggör detta att rekonstruera hela molekylära banor.
Med hjälp av en kombination av mikroskopitekniker övervakade teamet färgförändringar och visade att dessa ljussändare släpper fotoner en i taget och ger exakt information om deras omedelbara omgivning inom cirka en nanometer. Detta genombrott möjliggör användningen av dessa sändare som sonder i nanoskala, vilket belyser arrangemanget av molekyler inom begränsade nanometerutrymmen.
Professor Radha Boyas grupp vid institutionen för fysik i Manchester skapade nanokanalerna från tvådimensionella material, som innehöll vätskor på bara nanometer från hBN-ytan. Detta partnerskap möjliggjorde optisk sondering av dessa system, och avslöjade antydningar om vätskeordning inducerad av inneslutning. "Se är att tro, men det är inte lätt att se instängningseffekter i den här skalan. Vi gör dessa extremt tunna slitsliknande kanaler, och den aktuella studien visar ett elegant sätt att visualisera dem med superupplösningsmikroskopi", säger Radha Boya.
Potentialen för denna upptäckt är långtgående. Nathan Ronceray föreställer sig tillämpningar bortom passiv avkänning. "Vi har i första hand tittat på beteendet hos molekyler med hBN utan att aktivt interagera med, men vi tror att det skulle kunna användas för att visualisera flöden i nanoskala orsakade av tryck eller elektriska fält."
Detta kan leda till mer dynamiska tillämpningar i framtiden för optisk avbildning och avkänning, vilket ger oöverträffade insikter om molekylers intrikata beteende inom dessa begränsade utrymmen.
Mer information: Vätskeaktiverad kvantemission från orörd hexagonal bornitrid för nanofluidisk avkänning, naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01658-2
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
