Una scoperta nel campo della nanofluidica potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione del comportamento molecolare su scala più piccola. I gruppi di ricerca dell’EPFL e dell’Università di Manchester hanno rivelato un mondo precedentemente nascosto utilizzando le proprietà fluorescenti appena scoperte di un materiale 2D simile al grafene, il nitruro di boro. Questo approccio innovativo consente agli scienziati di tracciare singole molecole all'interno di strutture nanofluidiche, evidenziandone il comportamento in modi mai possibili prima.
I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Nature Materials .
La nanofluidica, lo studio dei fluidi confinati in spazi ultra-piccoli, offre approfondimenti sul comportamento dei liquidi su scala nanometrica. Tuttavia, esplorare il movimento delle singole molecole in ambienti così ristretti è stato impegnativo a causa dei limiti delle tecniche microscopiche convenzionali. Questo ostacolo ha impedito il rilevamento e l'imaging in tempo reale, lasciando lacune significative nella nostra conoscenza delle proprietà molecolari in confinamento.
Grazie a una proprietà inaspettata del nitruro di boro, i ricercatori dell'EPFL sono riusciti a realizzare ciò che un tempo si riteneva impossibile. Questo materiale 2D possiede una notevole capacità di emettere luce a contatto con i liquidi. Sfruttando questa proprietà, gli scienziati del Laboratorio di biologia su nanoscala dell'EPFL sono riusciti a osservare e tracciare direttamente i percorsi delle singole molecole all'interno delle strutture nanofluidiche. Questa rivelazione apre le porte a una comprensione più profonda dei comportamenti di ioni e molecole in condizioni che imitano i sistemi biologici.
La professoressa Aleksandra Radenovic, direttrice della LBEN, spiega:"I progressi nella fabbricazione e nella scienza dei materiali ci hanno consentito di controllare il trasporto fluidico e ionico su scala nanometrica. Tuttavia, la nostra comprensione dei sistemi nanofluidici è rimasta limitata, poiché la microscopia ottica convenzionale non poteva penetrare nelle strutture sottostanti il limite di diffrazione. La nostra ricerca ora fa luce sulla nanofluidica, offrendo approfondimenti su un regno che fino ad ora era in gran parte inesplorato."
Questa nuova comprensione delle proprietà molecolari ha applicazioni interessanti, incluso il potenziale per immaginare direttamente i sistemi nanofluidici emergenti, in cui i liquidi mostrano comportamenti non convenzionali sotto stimoli di pressione o tensione. Il nucleo della ricerca risiede nella fluorescenza originata dagli emettitori di singoli fotoni sulla superficie del nitruro di boro esagonale.
"Questa attivazione della fluorescenza è avvenuta inaspettatamente, poiché né l'hBN né il liquido mostrano di per sé una fluorescenza nel range visibile. Molto probabilmente deriva da molecole che interagiscono con difetti superficiali sul cristallo, ma non siamo ancora certi dell'esatto meccanismo", afferma il dottorando studente Nathan Ronceray, della LBEN.
I difetti superficiali possono essere atomi mancanti nella struttura cristallina, le cui proprietà differiscono dal materiale originale, garantendo loro la capacità di emettere luce quando interagiscono con determinate molecole. I ricercatori hanno inoltre osservato che quando un difetto si spegne, uno dei suoi vicini si illumina, perché la molecola legata al primo sito salta sul secondo. Passo dopo passo, ciò consente di ricostruire intere traiettorie molecolari.
Utilizzando una combinazione di tecniche di microscopia, il team ha monitorato i cambiamenti di colore e ha dimostrato che questi emettitori di luce rilasciano fotoni uno alla volta, offrendo informazioni precise sull'ambiente circostante entro circa un nanometro. Questa innovazione consente l'uso di questi emettitori come sonde su scala nanometrica, facendo luce sulla disposizione delle molecole all'interno di spazi nanometrici confinati.
Il gruppo della professoressa Radha Boya presso il dipartimento di fisica di Manchester ha realizzato i nanocanali da materiali bidimensionali, confinando i liquidi a soli nanometri dalla superficie dell'hBN. Questa partnership ha consentito il sondaggio ottico di questi sistemi, scoprendo indizi di ordinamento liquido indotto dal confinamento. "Vedere per credere, ma non è facile vedere gli effetti di confinamento su questa scala. Realizziamo questi canali estremamente sottili a forma di fessura e lo studio attuale mostra un modo elegante per visualizzarli mediante microscopia a super risoluzione", afferma Radha Boya.
Il potenziale di questa scoperta è di vasta portata. Nathan Ronceray prevede applicazioni che vanno oltre il rilevamento passivo. "Abbiamo principalmente osservato il comportamento delle molecole con hBN senza interagire attivamente con loro, ma pensiamo che potrebbe essere utilizzato per visualizzare flussi su scala nanometrica causati dalla pressione o dai campi elettrici."
Ciò potrebbe portare in futuro ad applicazioni più dinamiche per l'imaging e il rilevamento ottico, fornendo informazioni senza precedenti sugli intricati comportamenti delle molecole all'interno di questi spazi ristretti.
Ulteriori informazioni: Emissione quantica attivata da liquido da nitruro di boro esagonale incontaminato per il rilevamento nanofluidico, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01658-2
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
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