Onderzoekers van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en de Universiteit van Manchester hebben tweedimensionale materialen en licht gebruikt om de geheimen van nanovloeistoffen te ontsluiten. Een doorbraak in de nanovloeistoftechnologie zal een revolutie teweegbrengen in ons begrip van moleculaire dynamiek op kleine schaal. Wetenschappers van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en de Universiteit van Manchester hebben samengewerkt om een voorheen onbekende wereld te onthullen met behulp van de nieuw ontdekte fluorescerende eigenschappen van boornitride, een tweedimensionaal grafeenachtig materiaal.
Deze innovatieve aanpak stelt wetenschappers in staat individuele moleculen in nanovloeistofstructuren te volgen, waardoor hun gedrag op een manier wordt onthuld die nooit eerder mogelijk was. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.
Nanofluidics is de studie van vloeistoffen die zijn ingesloten in ultrakleine ruimtes, waardoor inzicht wordt verkregen in het gedrag van vloeistoffen op nanoschaal. Het onderzoeken van de beweging van individuele moleculen in een dergelijke gesloten omgeving was echter een uitdaging vanwege de beperkingen van traditionele microscopietechnieken. Deze barrière belemmert realtime detectie en beeldvorming, waardoor er een enorme kloof ontstaat in ons begrip van moleculaire eigenschappen in gesloten omgevingen.
Microscoopbeperkingen overwinnen
Dankzij de onverwachte eigenschappen van boornitride hebben EPFL-onderzoekers bereikt wat ooit voor onmogelijk werd gehouden. Dit tweedimensionale materiaal heeft het buitengewone vermogen om licht uit te stralen wanneer het in contact komt met vloeistoffen. Door gebruik te maken van deze eigenschap zijn wetenschappers van het Laboratorium voor Nanobiologie van EPFL erin geslaagd de beweging van individuele moleculen in nanovloeistofstructuren direct te observeren en te volgen. Deze ontdekking opent de deur naar inzichten in hoe ionen en moleculen zich gedragen onder omstandigheden die biologische systemen nabootsen.
Professor Aleksandra Radenovic, directeur van LBEN, legt uit: "Vooruitgang in de productie- en materiaalkunde heeft ons de mogelijkheid gegeven om vloeistof- en ionentransport op nanoschaal te controleren. Onze kennis van nanofluïdische systemen is echter nog steeds beperkt omdat conventionele optische microscopie structuren onder de diffractielimiet niet kan doordringen. Ons onderzoek werpt nu een helder licht op de nanofluïdische technologie en geeft ons inzichten in dit tot nu toe grotendeels onbekende gebied."
Toepassingen en toekomstig potentieel
Deze nieuwe ontdekking van moleculaire eigenschappen heeft opwindende toepassingsvooruitzichten, waaronder het potentieel om opkomende nanofluïdische systemen direct in beeld te brengen, waarin vloeistoffen onconventioneel gedrag vertonen wanneer ze worden gestimuleerd door druk of spanning. De kern van het onderzoek is de fluorescentie die wordt geproduceerd door emitters van afzonderlijke fotonen op het oppervlak van hexagonaal boornitride. "Deze fluorescentie-activatie was onverwacht, omdat noch hexagonaal boornitride, noch de vloeistof zelf fluorescentie vertoont in het zichtbare bereik. Het wordt hoogstwaarschijnlijk gegenereerd door de interactie van het molecuul met defecten op het kristaloppervlak, maar we zijn nog steeds niet zeker van het exacte mechanisme", zegt promovendus Nathan Ronceray van LBEN.
Oppervlaktedefecten kunnen atomen zijn die ontbreken in de kristalstructuur en die andere eigenschappen hebben dan het oorspronkelijke materiaal en licht uitstralen wanneer ze in wisselwerking staan met bepaalde moleculen. De onderzoekers merkten verder op dat wanneer een defect afging, een van de buren oplichtte omdat het molecuul dat aan de eerste locatie was gebonden, naar de tweede locatie sprong. Hierdoor kan het hele moleculaire traject stap voor stap worden gereconstrueerd.
Met behulp van een combinatie van microscopietechnieken volgde het team de kleurveranderingen en toonde aan dat deze luminoforen één foton tegelijk uitzenden, waardoor nauwkeurige informatie over hun omgeving binnen ongeveer een nanometer werd verkregen. Dankzij deze doorbraak kunnen deze luminoforen worden gebruikt als sondes op nanoschaal, waardoor de rangschikking van moleculen in besloten ruimtes op nanoschaal wordt onthuld.
Samenwerkings- en visualisatietechnologie
De onderzoeksgroep van professor Radha Boya aan het Department of Physics van Manchester creëerde nanokanalen met behulp van tweedimensionale materialen om de vloeistof te beperken tot slechts één nanometer van het boorhydride-oppervlak. Deze samenwerking maakte het mogelijk om deze systemen optisch te onderzoeken, waarbij aanwijzingen werden gevonden voor door opsluiting veroorzaakte ordening in vloeistoffen. "Zien is geloven, maar het is niet eenvoudig om het effect van opsluiting op deze schaal te zien." RadhaBoya zei: "We hebben deze extreem dunne, spleetachtige kanalen gemaakt, en de huidige studie toont een elegante manier om ze te observeren via microscopie met superresolutie."
Het potentieel van deze ontdekking is groot. Nathan-Lancere voorziet toepassingen die verder gaan dan passieve detectie: "We gebruiken voornamelijk boorhydride om het gedrag van moleculen te observeren zonder er actief interactie mee te hebben, maar we denken dat het kan worden gebruikt om stromingen op nanoschaal te observeren die worden veroorzaakt door druk of elektrische velden." Dit kan in de toekomst leiden tot meer dynamische toepassingen voor optische beeldvorming en detectie, waardoor ongekende inzichten kunnen worden verkregen in het complexe gedrag van moleculen in deze beperkte ruimtes.