Eén foton tegelijk in de nanofluïdische mysteries turen

Een ontdekking op het gebied van nanofluidica zou ons begrip van moleculair gedrag op de kleinste schaal kunnen opschudden. Onderzoeksteams van EPFL en de Universiteit van Manchester hebben een voorheen verborgen wereld onthuld door gebruik te maken van de nieuw gevonden fluorescerende eigenschappen van een grafeenachtig 2D-materiaal, boornitride. Deze innovatieve aanpak stelt wetenschappers in staat individuele moleculen binnen nanofluïdische structuren te volgen, waardoor hun gedrag op een manier wordt belicht die nooit eerder mogelijk was.

De bevindingen van het onderzoek worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur materialen.

Nanofluidics, de studie van vloeistoffen opgesloten in ultrakleine ruimtes, biedt inzicht in het gedrag van vloeistoffen op nanometerschaal. Het onderzoeken van de beweging van individuele moleculen in dergelijke beperkte omgevingen was echter een uitdaging vanwege de beperkingen van conventionele microscopietechnieken. Dit obstakel verhinderde realtime detectie en beeldvorming, waardoor er aanzienlijke hiaten achterbleven in onze kennis van moleculaire eigenschappen.

Dankzij een onverwachte eigenschap van boornitride hebben de onderzoekers van EPFL bereikt wat ooit voor onmogelijk werd gehouden. Dit 2D-materiaal bezit een opmerkelijk vermogen om licht uit te zenden wanneer het in contact komt met vloeistoffen. Door gebruik te maken van deze eigenschap zijn wetenschappers van EPFL’s Laboratory of Nanoscale Biology erin geslaagd de paden van individuele moleculen binnen nanofluïdische structuren direct te observeren en te volgen. Deze onthulling opent de deur naar een dieper begrip van het gedrag van ionen en moleculen in omstandigheden die biologische systemen nabootsen.

Professor Aleksandra Radenovic, hoofd van LBEN, legt uit: “Vooruitgang in de fabricage en de materiaalkunde hebben ons in staat gesteld om vloeistof- en ionentransport op nanoschaal te controleren. Toch bleef ons begrip van nanofluïdische systemen beperkt, omdat conventionele lichtmicroscopie niet in structuren daaronder kon doordringen. de diffractielimiet. Ons onderzoek werpt nu een licht op nanofluïdica en biedt inzichten in een rijk dat tot nu toe grotendeels niet in kaart was gebracht.’

Dit hernieuwde begrip van moleculaire eigenschappen heeft opwindende toepassingen, waaronder het potentieel om opkomende nanofluïdische systemen direct in beeld te brengen, waarbij vloeistoffen onconventioneel gedrag vertonen onder druk- of spanningsstimuli. De kern van het onderzoek ligt in de fluorescentie afkomstig van emitters van enkele fotonen aan het oppervlak van het hexagonale boornitride.

“Deze fluorescentie-activatie kwam onverwachts, omdat noch hBN, noch de vloeistof op zichzelf fluorescentie in het zichtbare bereik vertonen. Het komt hoogstwaarschijnlijk voort uit moleculen die interageren met oppervlaktedefecten op het kristal, maar we zijn nog steeds niet zeker van het exacte mechanisme”, zegt doctoraatsonderzoeker student Nathan Ronceray, van LBEN.

Oppervlaktedefecten kunnen ontbrekende atomen in de kristallijne structuur zijn, waarvan de eigenschappen verschillen van het oorspronkelijke materiaal, waardoor ze het vermogen krijgen om licht uit te zenden wanneer ze in wisselwerking staan ​​met bepaalde moleculen. De onderzoekers merkten verder op dat wanneer een defect wordt uitgeschakeld, een van de buren oplicht, omdat het molecuul dat aan de eerste locatie is gebonden, naar de tweede is gesprongen. Dit maakt het stap voor stap mogelijk om hele moleculaire trajecten te reconstrueren.

Met behulp van een combinatie van microscopietechnieken volgde het team kleurveranderingen en toonde aan dat deze lichtzenders één voor één fotonen vrijgeven, waardoor nauwkeurige informatie over hun directe omgeving binnen ongeveer één nanometer wordt geboden. Deze doorbraak maakt het gebruik van deze emitters als sondes op nanoschaal mogelijk, waardoor licht wordt geworpen op de rangschikking van moleculen in besloten nanometerruimtes.

De groep van professor Radha Boya aan de afdeling Natuurkunde in Manchester vervaardigde de nanokanalen uit tweedimensionale materialen, waarbij vloeistoffen op slechts nanometers van het hBN-oppervlak werden opgesloten. Deze samenwerking maakte het mogelijk om deze systemen optisch te onderzoeken, waarbij hints van vloeibare ordening, veroorzaakt door opsluiting, aan het licht kwamen. “Zien is geloven, maar het is niet eenvoudig om opsluitingseffecten op deze schaal te zien. We maken deze extreem dunne, spleetachtige kanalen, en de huidige studie laat een elegante manier zien om ze te visualiseren met superresolutiemicroscopie”, zegt Radha Boya.

Het potentieel voor deze ontdekking is verreikend. Nathan Ronceray voorziet toepassingen die verder gaan dan passieve detectie. “We hebben vooral het gedrag van moleculen met hBN bekeken zonder er actief mee in wisselwerking te staan, maar we denken dat het kan worden gebruikt om stromingen op nanoschaal te visualiseren die worden veroorzaakt door druk of elektrische velden.”

Dit zou in de toekomst kunnen leiden tot meer dynamische toepassingen voor optische beeldvorming en detectie, waardoor ongekende inzichten kunnen worden verkregen in het ingewikkelde gedrag van moleculen in deze beperkte ruimtes.