Si pensava che ciò fosse impossibile: gli scienziati hanno scoperto un mondo nascosto utilizzando le proprietà appena scoperte di un materiale simile al grafene

I ricercatori dell’EPFL e dell’Università di Manchester hanno scoperto i segreti dei nanofluidi utilizzando materia e luce 2D.

Si prevede che i progressi nel campo della nanofluidica rivoluzioneranno la nostra comprensione della dinamica molecolare su piccola scala. Gli sforzi di collaborazione degli scienziati dell’EPFL e dell’Università di Manchester hanno rivelato un mondo precedentemente nascosto utilizzando le proprietà fluorescenti appena scoperte di… Grafene– Come materiali 2D, nitruro di boro. Questo approccio innovativo consente agli scienziati di tracciare le singole molecole all’interno delle strutture nanofluidiche, facendo luce sul loro comportamento in modi prima non possibili. I risultati dello studio sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Materiali della natura.

La nanofluidica, lo studio dei fluidi confinati in spazi molto piccoli, fornisce informazioni sul comportamento dei fluidi su scala nanometrica. Tuttavia, esplorare il movimento delle singole molecole in ambienti così ristretti è stato difficile a causa delle limitazioni delle tecniche microscopiche convenzionali. Questo ostacolo ha impedito il rilevamento e l’imaging in tempo reale, lasciando lacune significative nella nostra conoscenza delle proprietà molecolari in confinamento.

Superare le limitazioni microscopiche

Grazie a una proprietà inaspettata del nitruro di boro, i ricercatori dell’EPFL sono riusciti a realizzare ciò che prima si riteneva impossibile. Questo materiale bidimensionale ha la notevole capacità di emettere luce a contatto con i liquidi. Sfruttando questa proprietà, gli scienziati del Laboratorio di Nanobiologia dell’EPFL sono riusciti a osservare e tracciare direttamente le traiettorie delle singole molecole all’interno delle strutture nanofluidiche. Questa scoperta apre le porte a una comprensione più profonda dei comportamenti di ioni e molecole in condizioni che imitano i sistemi biologici.

Immagini in fluorescenza ad ampio campo di un cristallo hBN sotto illuminazione laser da 3,5 kW/cm2 561 nm con un tempo di esposizione di 1 s. Credito: EPFL

“I progressi nella scienza della produzione e dei materiali ci hanno permesso di controllare il trasporto di fluidi e ioni Scala nanometrica. Tuttavia, la nostra comprensione dei sistemi nanofluidici è rimasta limitata, poiché la microscopia ottica convenzionale non è stata in grado di penetrare nelle strutture al di sotto del limite di diffrazione. La nostra ricerca sta ora facendo luce sui nanofluidi, fornendo informazioni su un mondo che fino ad ora era in gran parte sconosciuto.

Applicazioni e possibilità future

Questa nuova comprensione delle proprietà molecolari ha applicazioni interessanti, incluso il potenziale per l’imaging diretto di sistemi nanofluidici emergenti, in cui i fluidi mostrano comportamenti non convenzionali sotto stimoli di pressione o tensione. Il punto cruciale della ricerca risiede nella fluorescenza che emerge dai monomeriFotone Emettitori sulla superficie del nitruro di boro esagonale. “Questa attivazione della fluorescenza è avvenuta inaspettatamente, poiché né l’hBN né il liquido hanno mostrato una fluorescenza visibile da soli. Molto probabilmente deriva dall’interazione di molecole con difetti superficiali sul cristallo, ma non siamo ancora sicuri se il meccanismo preciso.”

I difetti superficiali possono essere atomi mancanti nella struttura cristallina, che hanno proprietà diverse dal materiale originale, conferendo loro la capacità di emettere luce quando interagiscono con determinate molecole. I ricercatori hanno anche osservato che quando un difetto si spegne, uno dei suoi vicini si illumina, perché la molecola legata al primo sito salta al secondo sito. Passo dopo passo, ciò consente la ricostruzione di interi percorsi molecolari.

Utilizzando una serie di tecniche di microscopia, il team ha osservato i cambiamenti di colore e ha dimostrato che questi emettitori di luce rilasciano fotoni uno alla volta, fornendo informazioni precise sull’ambiente circostante entro circa un nanometro. Questa innovazione consente di utilizzare questi emettitori come sonde su scala nanometrica, facendo luce sulla disposizione delle molecole all’interno di spazi nanometrici confinati.

Tecniche di collaborazione e visualizzazione

Il gruppo della professoressa Radha Boya del Dipartimento di fisica di Manchester ha fabbricato nanocanali da materiali 2D, confinando i liquidi a soli nanometri della superficie dell’hBN. Questa partnership ha permesso di esaminare visivamente questi sistemi, rivelando indizi sull’ordine fluido causato dal confinamento. “Vedere per credere, ma non è facile vedere gli effetti del confinamento su questa scala. Abbiamo realizzato questi canali estremamente sottili, simili a fessure, e lo studio attuale mostra un modo elegante per visualizzarli tramite microscopia a super risoluzione.” dice Radha Pooya.

La probabilità di questa scoperta è a lungo termine. Nathan Ronceray prevede applicazioni che vanno oltre il rilevamento passivo. “Abbiamo osservato principalmente il comportamento delle molecole contenenti hBN senza interagire attivamente con esse, ma crediamo che possano essere utilizzate per visualizzare flussi su scala nanometrica generati dalla pressione o dai campi elettrici”. Ciò potrebbe portare in futuro ad applicazioni più dinamiche per l’imaging e il rilevamento ottico, fornendo informazioni senza precedenti sui comportamenti complessi delle molecole all’interno di questi spazi ristretti.

Riferimento: “Emissione quantistica attivata da liquido da nitruro di boro esagonale incontaminato per rilevamento nanofluidico” di 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 e Alexandra Radinovic, 31 agosto 2023, Materiali della natura.
doi: 10.1038/s41563-023-01658-2