Tyrėjai iš EPFL ir Mančesterio universiteto atrado nanoskysčių paslaptis naudodami 2D materiją ir šviesą.

Tikimasi, kad nanofluidikos pažanga pakeis mūsų supratimą apie molekulinę dinamiką nedideliu mastu. EPFL ir Mančesterio universiteto mokslininkų bendradarbiavimo pastangos atskleidė anksčiau paslėptą pasaulį, naudojant naujai atrastas fluorescencines… Grafenas– Tokios kaip 2D medžiagos, boro nitridas. Šis novatoriškas metodas leidžia mokslininkams sekti atskiras molekules nanofluidinėse struktūrose, atskleisdamas jų elgesį anksčiau neįmanomu būdu. Tyrimo rezultatai neseniai buvo paskelbti žurnale Gamtos medžiagos.

Nanofluidika, skysčių, esančių labai mažose erdvėse, tyrimas, leidžia suprasti skysčių elgseną nanometrų skalėje. Tačiau tirti atskirų molekulių judėjimą tokioje uždaroje aplinkoje buvo sunku dėl įprastų mikroskopijos metodų apribojimų. Ši kliūtis neleido realaus laiko jutimui ir vaizdavimui, todėl mūsų žiniose apie molekulines savybes uždaroje erdvėje liko didelių spragų.

Mikroskopinių apribojimų įveikimas

Dėl netikėtos boro nitrido savybės EPFL tyrėjai pasiekė tai, kas anksčiau buvo laikoma neįmanoma. Ši dvimatė medžiaga turi nepaprastą savybę skleisti šviesą, kai liečiasi su skysčiais. Pasinaudoję šia savybe, EPFL nanobiologijos laboratorijos mokslininkams pavyko tiesiogiai stebėti ir sekti atskirų molekulių trajektorijas nanofluidinėse struktūrose. Šis atradimas atveria duris gilesniam jonų ir molekulių elgesio supratimui sąlygomis, kurios imituoja biologines sistemas.

hBN kristalo plataus lauko fluorescenciniai vaizdai esant 3,5 kW/cm2 561 nm lazerio šviesos apšvietimui, kai ekspozicijos laikas yra 1 s. Kreditas: EPFL

„Gamybos ir medžiagų mokslo pažanga leido mums kontroliuoti skysčių ir jonų transportavimą Nano skalė. Tačiau mūsų supratimas apie nanofluidines sistemas išliko ribotas, nes įprastinė optinė mikroskopija negalėjo prasiskverbti į struktūras žemiau difrakcijos ribos. Mūsų tyrimai dabar atskleidžia nanoskysčius, suteikdami įžvalgos apie pasaulį, kuris iki šiol buvo beveik nežinomas.

Ateities programos ir galimybės

Šis naujas molekulinių savybių supratimas turi įdomių pritaikymų, įskaitant galimybę tiesiogiai vaizduoti atsirandančias nanofluidines sistemas, kuriose skysčiai pasižymi neįprastu elgesiu esant slėgio ar įtampos dirgikliams. Tyrimo esmė slypi fluorescencijoje, atsirandančioje iš monomerųFotonas Spinduliuoja šešiakampio boro nitrido paviršiuje. „Šis fluorescencijos aktyvavimas įvyko netikėtai, nes nei hBN, nei skystis savaime neparodė matomos fluorescencijos. Greičiausiai tai atsiranda dėl molekulių sąveikos su kristalo paviršiaus defektais, tačiau vis dar nesame tikri, ar tikslus mechanizmas.”

Paviršiaus defektai gali būti kristalų struktūroje trūkstami atomai, kurių savybės skiriasi nuo pradinės medžiagos, todėl sąveikaujant su tam tikromis molekulėmis jie gali skleisti šviesą. Tyrėjai taip pat pastebėjo, kad kai defektas išsijungia, užsidega vienas iš jo kaimynų, nes molekulė, susieta su pirmąja vieta, peršoka į antrąją vietą. Žingsnis po žingsnio tai leidžia atkurti visus molekulinius kelius.

Naudodama įvairius mikroskopijos metodus, komanda stebėjo spalvų pokyčius ir parodė, kad šie šviesos skleidėjai po vieną išskiria fotonus, suteikdami tikslią informaciją apie artimiausią aplinką maždaug nanometro tikslumu. Šis proveržis leidžia šiuos emiterius naudoti kaip nanoskalės zondus, nušviečiančius molekulių išsidėstymą uždarose nanometrų erdvėse.

Bendradarbiavimo ir vizualizacijos technikos

Mančesterio fizikos katedros profesoriaus Radha Boya grupė iš 2D medžiagų pagamino nanokanalus, apribojančius skysčius iki vien hBN paviršiaus nanometrų. Ši partnerystė leido vizualiai ištirti šias sistemas, atskleidžiant užuominas apie įkalinimo sukeltą sklandžią tvarką. „Matymas yra tikėjimas, bet nelengva pamatyti tokio masto uždarymo poveikį. Sukūrėme šiuos itin plonus, plyšius primenančius kanalus, o dabartinis tyrimas parodo elegantišką būdą juos vizualizuoti naudojant itin didelės raiškos mikroskopiją.” sako Radha Pooya.

Šio atradimo tikimybė yra ilgalaikė. Nathanas Ronceray’us numato ne tik pasyviojo jutimo programas. „Mes visų pirma stebėjome hBN turinčių molekulių elgesį su jomis aktyviai nesąveikaujant, tačiau manome, kad jas galima naudoti norint vizualizuoti slėgio ar elektrinių laukų sukuriamus nanoskalės srautus. Ateityje tai gali paskatinti dinamiškesnes optinio vaizdavimo ir jutimo programas, suteikiančias precedento neturinčių įžvalgų apie sudėtingą molekulių elgesį šiose ankštose erdvėse.

Nuoroda: „Skysčiu aktyvuota kvantinė emisija iš nesugadinto šešiakampio boro nitrido nanofluidiniam jutimui“, autorius Nathan Runcray, Yi Yu, Evgeny Glushkov, Martina Lehter, Benjamin Riehl, Tzu-Hing Chen, Gwang Hyun-nam, Fanny Borbe, Kenji Taniguchi, Sylvie Rock, Ashok Keerthi, Jean Comtet, Pouya Radha ir Alexandra Radinovic, 2023 m. rugpjūčio 31 d. Gamtos medžiagos.
doi: 10.1038/s41563-023-01658-2