Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Манчестерского университета использовали двумерные материалы и свет, чтобы раскрыть секреты наножидкостей. Прорыв в технологии наножидкостей произведет революцию в нашем понимании молекулярной динамики в крошечных масштабах. Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Манчестерского университета совместно открыли ранее неизвестный мир, используя недавно обнаруженные флуоресцентные свойства нитрида бора, двумерного графеноподобного материала.
Этот инновационный подход позволяет ученым отслеживать отдельные молекулы внутри структур наножидкостей, раскрывая их поведение способами, которые ранее были невозможны. Результаты были недавно опубликованы в журнале Nature Materials.
Нанофлюидика — это исследование жидкостей, заключенных в сверхмалых пространствах, позволяющее понять поведение жидкостей на наноуровне. Однако исследование движения отдельных молекул в такой закрытой среде оказалось сложной задачей из-за ограничений традиционных методов микроскопии. Этот барьер препятствует зондированию и визуализации в реальном времени, оставляя огромный пробел в нашем понимании молекулярных свойств в закрытых средах.
Преодоление ограничений микроскопа
Благодаря неожиданным свойствам нитрида бора исследователи EPFL достигли того, что когда-то считалось невозможным. Этот двумерный материал обладает необычайной способностью излучать свет при контакте с жидкостями. Воспользовавшись этим свойством, ученым из Лаборатории нанобиологии EPFL удалось напрямую наблюдать и отслеживать движение отдельных молекул в наножидкостных структурах. Это открытие открывает двери для понимания того, как ионы и молекулы ведут себя в условиях, имитирующих биологические системы.
Профессор Александра Раденович, директор LBEN, объясняет: «Достижения в области производства и материаловедения дали нам возможность контролировать транспорт жидкости и ионов на наноуровне. Однако наши знания о нанофлюидных системах все еще ограничены, поскольку традиционная оптическая микроскопия не может проникать в структуры ниже дифракционного предела. Наши исследования теперь проливают яркий свет на нанофлюидные технологии и дают нам понимание этой до сих пор в значительной степени неизвестной области».
Приложения и будущий потенциал
Это новое открытие молекулярных свойств имеет захватывающие перспективы применения, в том числе возможность прямого изображения новых нанофлюидных систем, в которых жидкости демонстрируют нетрадиционное поведение при стимулировании давлением или напряжением. В основе исследования лежит флуоресценция, создаваемая однофотонными излучателями на поверхности гексагонального нитрида бора. «Эта активация флуоресценции была неожиданной, поскольку ни гексагональный нитрид бора, ни сама жидкость не проявляют флуоресценции в видимом диапазоне. Скорее всего, она возникает в результате взаимодействия молекулы с дефектами на поверхности кристалла, но мы до сих пор не уверены в ее точном механизме», — говорит аспирант Натан Ронсерей из LBEN.
Поверхностные дефекты могут представлять собой атомы, отсутствующие в кристаллической структуре, которые имеют свойства, отличные от свойств исходного материала, и излучают свет при взаимодействии с определенными молекулами. Исследователи также заметили, что когда дефект гаснет, один из его соседей загорается, потому что молекула, связанная с первым сайтом, перепрыгивает на второй сайт. Это позволяет шаг за шагом восстанавливать всю молекулярную траекторию.
Используя комбинацию методов микроскопии, команда отслеживала изменения цвета и продемонстрировала, что эти люминофоры излучают по одному фотону за раз, предоставляя точную информацию об их окружении с точностью до нанометра. Этот прорыв позволяет использовать эти люминофоры в качестве наноразмерных зондов, выявляя расположение молекул в замкнутых пространствах на наноуровне.
Технология совместной работы и визуализации
Исследовательская группа профессора Радхи Бойи на факультете физики Манчестера создала наноканалы, используя двумерные материалы, чтобы удерживать жидкость на расстоянии всего лишь одного нанометра от поверхности гидрида бора. Это партнерство позволило оптически исследовать эти системы и обнаружить признаки упорядочения, вызванного ограничением свободы в жидкостях. «Увидеть значит поверить, но увидеть эффект заключения в таком масштабе непросто». РадхаБойя сказала: «Мы создали эти чрезвычайно тонкие щелевидные каналы, и нынешнее исследование показывает элегантный способ наблюдать их с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения».
Потенциал этого открытия огромен. Натан-Лансере видит возможности применения, выходящие за рамки пассивного зондирования: «В основном мы используем гидрид бора для наблюдения за поведением молекул без активного взаимодействия с ним, но мы думаем, что его можно использовать для наблюдения наномасштабных потоков, вызванных давлением или электрическими полями». В будущем это может привести к более динамичным приложениям для оптической визуализации и зондирования, что обеспечит беспрецедентное понимание сложного поведения молекул в этих ограниченных пространствах.