Un descubrimiento en el campo de los nanofluidos podría revolucionar nuestra comprensión del comportamiento molecular en las escalas más pequeñas. Equipos de investigación de la EPFL y la Universidad de Manchester han revelado un mundo previamente oculto mediante el uso de las propiedades fluorescentes recientemente descubiertas de un material 2D similar al grafeno, el nitruro de boro. Este enfoque innovador permite a los científicos rastrear moléculas individuales dentro de estructuras nanofluídicas, iluminando su comportamiento de maneras nunca antes posibles.
Los hallazgos del estudio se publican en la revista Nature Materials. .
La nanofluídica, el estudio de fluidos confinados en espacios ultrapequeños, ofrece información sobre el comportamiento de los líquidos a escala nanométrica. Sin embargo, explorar el movimiento de moléculas individuales en entornos tan confinados ha sido un desafío debido a las limitaciones de las técnicas de microscopía convencionales. Este obstáculo impidió la detección y la obtención de imágenes en tiempo real, dejando lagunas importantes en nuestro conocimiento de las propiedades moleculares en confinamiento.
Gracias a una propiedad inesperada del nitruro de boro, los investigadores de la EPFL han logrado lo que antes se creía imposible. Este material 2D posee una notable capacidad para emitir luz en contacto con líquidos. Aprovechando esta propiedad, los científicos del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la EPFL han logrado observar y rastrear directamente las rutas de moléculas individuales dentro de estructuras nanofluídicas. Esta revelación abre la puerta a una comprensión más profunda del comportamiento de iones y moléculas en condiciones que imitan los sistemas biológicos.
La profesora Aleksandra Radenovic, directora de LBEN, explica:"Los avances en la fabricación y la ciencia de los materiales nos han permitido controlar el transporte fluídico e iónico a nanoescala. Sin embargo, nuestra comprensión de los sistemas nanofluídicos seguía siendo limitada, ya que la microscopía óptica convencional no podía penetrar las estructuras inferiores. el límite de difracción. Nuestra investigación ahora arroja luz sobre los nanofluidos, ofreciendo información sobre un ámbito que hasta ahora estaba en gran medida inexplorado".
Esta nueva comprensión de las propiedades moleculares tiene aplicaciones interesantes, incluido el potencial de obtener imágenes directas de sistemas nanofluídicos emergentes, donde los líquidos exhiben comportamientos no convencionales bajo estímulos de presión o voltaje. El núcleo de la investigación reside en la fluorescencia que se origina en los emisores de fotón único en la superficie del nitruro de boro hexagonal.
"Esta activación de la fluorescencia se produjo inesperadamente, ya que ni el hBN ni el líquido exhiben por sí solos fluorescencia en el rango visible. Lo más probable es que surja de la interacción de moléculas con defectos de la superficie del cristal, pero aún no estamos seguros del mecanismo exacto", dice el doctor estudiante Nathan Ronceray, de LBEN.
Los defectos superficiales pueden ser átomos faltantes en la estructura cristalina, cuyas propiedades difieren del material original, otorgándoles la capacidad de emitir luz cuando interactúan con ciertas moléculas. Los investigadores observaron además que cuando un defecto se desactiva, uno de sus vecinos se enciende, porque la molécula unida al primer sitio saltó al segundo. Paso a paso, esto permite reconstruir trayectorias moleculares completas.
Utilizando una combinación de técnicas de microscopía, el equipo supervisó los cambios de color y demostró que estos emisores de luz liberan fotones de uno en uno, ofreciendo información precisa sobre su entorno inmediato en aproximadamente un nanómetro. Este avance permite el uso de estos emisores como sondas a nanoescala, arrojando luz sobre la disposición de las moléculas dentro de espacios nanométricos confinados.
El grupo de la profesora Radha Boya en el departamento de Física de Manchester creó los nanocanales a partir de materiales bidimensionales, confinando líquidos a meros nanómetros de la superficie del hBN. Esta asociación permitió el sondeo óptico de estos sistemas, descubriendo indicios de pedidos de líquidos inducidos por el confinamiento. "Ver para creer, pero no es fácil ver los efectos del confinamiento a esta escala. Creamos estos canales extremadamente delgados en forma de rendijas, y el estudio actual muestra una forma elegante de visualizarlos mediante microscopía de súper resolución", dice Radha Boya.
El potencial de este descubrimiento es de gran alcance. Nathan Ronceray imagina aplicaciones más allá de la detección pasiva. "Hemos estado observando principalmente el comportamiento de las moléculas con hBN sin interactuar activamente con ellas, pero creemos que podría usarse para visualizar flujos a nanoescala causados por presión o campos eléctricos".
Esto podría conducir a aplicaciones más dinámicas en el futuro para imágenes y sensores ópticos, proporcionando conocimientos sin precedentes sobre los intrincados comportamientos de las moléculas dentro de estos espacios confinados.
Más información: Emisión cuántica activada por líquido a partir de nitruro de boro hexagonal prístino para detección de nanofluidos, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01658-2
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
