Це вважалося неможливим – вчені відкрили прихований світ, використовуючи нещодавно виявлені властивості матеріалу, схожого на графен.

Дослідники з EPFL та Університету Манчестера відкрили секрети нанофлюїдів за допомогою 2D матерії та світла.

Очікується, що досягнення нанофлюїдики революціонізують наше розуміння молекулярної динаміки в малих масштабах. Спільні зусилля вчених з EPFL та Університету Манчестера виявили раніше прихований світ за допомогою нещодавно відкритих флуоресцентних властивостей… Графен– Такі як 2D матеріали, нітрид бору. Цей інноваційний підхід дозволяє вченим відстежувати окремі молекули в нанофлюїдних структурах, проливаючи світло на їх поведінку способами, які раніше були неможливими. Результати дослідження були нещодавно опубліковані в журналі Матеріали природи.

Нанофлюїдика, дослідження рідин, обмежених у дуже малому просторі, дає уявлення про поведінку рідин у нанометровому масштабі. Проте дослідження руху окремих молекул у таких замкнутих середовищах було складним через обмеження звичайних методів мікроскопії. Ця перешкода заважає зондуванням і візуалізації в реальному часі, залишаючи значні прогалини в наших знаннях про молекулярні властивості в ув’язненні.

Подолання мікроскопічних обмежень

Завдяки несподіваній властивості нітриду бору дослідники EPFL досягли того, що раніше вважалося неможливим. Цей двовимірний матеріал має дивовижну здатність випромінювати світло при контакті з рідинами. Скориставшись цією властивістю, вченим з нанобіологічної лабораторії EPFL вдалося безпосередньо спостерігати та відстежувати траєкторії окремих молекул у нанофлюїдних структурах. Це відкриття відкриває двері до глибшого розуміння поведінки іонів і молекул в умовах, що імітують біологічні системи.

Широкополеві флуоресцентні зображення кристала hBN під лазерним освітленням 3,5 кВт/см2 561 нм з часом експозиції 1 с. Авторство: EPFL

«Прогрес у виробництві та матеріалознавстві дозволив нам контролювати транспорт рідини та іонів Нано масштаб. Однак наше розуміння нанофлюїдних систем залишалося обмеженим, оскільки звичайна оптична мікроскопія не могла проникнути в структури нижче межі дифракції. Зараз наше дослідження проливає світло на нанофлюїди, надаючи розуміння світу, який досі був здебільшого невідомим.

Майбутні програми та можливості

Це нове розуміння молекулярних властивостей має захоплюючі застосування, включаючи потенціал для прямого зображення нових нанофлюїдних систем, де рідини демонструють нетрадиційну поведінку під тиском або напругою. Суть дослідження полягає у флуоресценції, що виникає з мономерівФотон Емітери на поверхні гексагонального нітриду бору. “Ця активація флуоресценції відбулася несподівано, оскільки ні hBN, ні рідина самі по собі не показали видимої флуоресценції. Швидше за все, вона виникає через взаємодію молекул із поверхневими дефектами на кристалі, але ми все ще не впевнені, чи це точний механізм”.

Поверхневі дефекти можуть бути атомами, відсутніми в кристалічній структурі, які мають властивості, відмінні від вихідного матеріалу, що дає їм здатність випромінювати світло під час взаємодії з певними молекулами. Дослідники також помітили, що коли дефект вимикається, один із його сусідів загоряється, тому що молекула, зв’язана з першим сайтом, перескакує на другий сайт. Крок за кроком це дає змогу реконструювати цілі молекулярні шляхи.

Використовуючи низку методів мікроскопії, команда спостерігала за змінами кольору та продемонструвала, що ці випромінювачі світла випускають фотони по одному, надаючи точну інформацію про їхнє безпосереднє оточення з точністю до нанометра. Цей прорив дозволяє використовувати ці випромінювачі як нанорозмірні зонди, проливаючи світло на розташування молекул у обмеженому нанометровому просторі.

Техніка співпраці та візуалізації

Група професора Радха Боя з кафедри фізики в Манчестері виготовила наноканали з двовимірних матеріалів, обмежуючи рідини лише нанометрами поверхні hBN. Це партнерство дозволило візуально дослідити ці системи, виявивши натяки на рідинний порядок, викликаний утриманням. “Побачити означає повірити, але нелегко побачити наслідки обмеження в такому масштабі. Ми створили ці надзвичайно тонкі, схожі на щілини канали, і поточне дослідження показує елегантний спосіб візуалізації їх за допомогою мікроскопії з високою роздільною здатністю”, каже Радха Пуя.

Імовірність цього відкриття довгострокова. Натан Ронсері передбачає застосування поза пасивним зондуванням. «Насамперед ми спостерігали за поведінкою молекул, що містять hBN, без активної взаємодії з ними, але ми вважаємо, що їх можна використовувати для візуалізації нанорозмірних потоків, створених тиском або електричними полями». Це може призвести до більш динамічних застосувань у майбутньому для оптичного зображення та зондування, забезпечуючи безпрецедентне розуміння складної поведінки молекул у цих тісних просторах.

Довідка: «Активоване рідиною квантове випромінювання з незайманого гексагонального нітриду бору для нанофлюїдного зондування» Натана Ранкрей, Йі Ю, Євгена Глушкова, Мартіни Летер, Бенджаміна Ріля, Цзу-Хін Чена, Гван Хюнама, Фанні Борза, Кендзі Ватанабе, Такаші Танігучі, Сільві Рок, Ашок Кірті, Жан Комте, Поуя Радха та Олександра Радиновіч, 31 серпня 2023 р. Матеріали природи.
doi: 10.1038/s41563-023-01658-2