Αυτό θεωρήθηκε ότι ήταν αδύνατο – οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν κρυμμένο κόσμο χρησιμοποιώντας πρόσφατα ανακαλυφθείσες ιδιότητες ενός υλικού που μοιάζει με γραφένιο

Ερευνητές από το EPFL και το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ ανακάλυψαν τα μυστικά των νανορευστών χρησιμοποιώντας δισδιάστατη ύλη και φως.

Οι πρόοδοι στα νανορευστικά αναμένεται να φέρουν επανάσταση στην κατανόησή μας για τη μοριακή δυναμική σε μικρή κλίμακα. Συνεργατικές προσπάθειες επιστημόνων του EPFL και του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ έχουν αποκαλύψει έναν παλαιότερα κρυμμένο κόσμο που χρησιμοποιεί πρόσφατα ανακαλυφθείσες ιδιότητες φθορισμού του… Γραφένιο– Όπως δισδιάστατα υλικά, νιτρίδιο του βορίου. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να παρακολουθούν μεμονωμένα μόρια μέσα σε νανορευστικές δομές, ρίχνοντας φως στη συμπεριφορά τους με τρόπους που προηγουμένως δεν ήταν δυνατοί. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Υλικά της φύσης.

Η νανορευστική, η μελέτη των ρευστών που περιορίζονται σε πολύ μικρούς χώρους, παρέχει μια εικόνα για τη συμπεριφορά των ρευστών σε κλίμακα νανομέτρων. Ωστόσο, η διερεύνηση της κίνησης μεμονωμένων μορίων σε τέτοια περιορισμένα περιβάλλοντα ήταν δύσκολη λόγω των περιορισμών των συμβατικών τεχνικών μικροσκοπίας. Αυτό το εμπόδιο έχει εμποδίσει την ανίχνευση και την απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο, αφήνοντας σημαντικά κενά στη γνώση μας για τις μοριακές ιδιότητες στον περιορισμό.

Ξεπερνώντας τους μικροσκοπικούς περιορισμούς

Χάρη σε μια απροσδόκητη ιδιότητα του νιτριδίου του βορίου, οι ερευνητές του EPFL πέτυχαν αυτό που προηγουμένως θεωρούνταν αδύνατο. Αυτό το δισδιάστατο υλικό έχει την αξιοσημείωτη ικανότητα να εκπέμπει φως όταν έρχεται σε επαφή με υγρά. Εκμεταλλευόμενοι αυτήν την ιδιότητα, οι επιστήμονες στο Εργαστήριο Νανοβιολογίας του EPFL κατάφεραν να παρατηρήσουν και να παρακολουθήσουν άμεσα τις τροχιές μεμονωμένων μορίων μέσα σε νανορευστικές δομές. Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει την πόρτα για μια βαθύτερη κατανόηση των συμπεριφορών των ιόντων και των μορίων σε συνθήκες που μιμούνται βιολογικά συστήματα.

Εικόνες φθορισμού ευρέως πεδίου ενός κρυστάλλου hBN κάτω από φωτισμό λέιζερ 3,5 kW/cm2 561 nm με χρόνο έκθεσης 1 s. Πίστωση: EPFL

«Οι εξελίξεις στην κατασκευή και την επιστήμη των υλικών μας επέτρεψαν να ελέγξουμε τη μεταφορά ρευστών και ιοντικών Νανο κλίμακα. Ωστόσο, η κατανόησή μας για τα νανορευστικά συστήματα παρέμεινε περιορισμένη, καθώς η συμβατική οπτική μικροσκοπία δεν μπόρεσε να διεισδύσει σε δομές κάτω από το όριο περίθλασης. Η έρευνά μας ρίχνει τώρα φως στα νανορευστά, παρέχοντας μια εικόνα για έναν κόσμο που ήταν σε μεγάλο βαθμό άγνωστος μέχρι τώρα.

Μελλοντικές εφαρμογές και δυνατότητες

Αυτή η νέα κατανόηση των μοριακών ιδιοτήτων έχει συναρπαστικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας άμεσης απεικόνισης αναδυόμενων νανορευστικών συστημάτων, όπου τα ρευστά παρουσιάζουν μη συμβατικές συμπεριφορές υπό πίεση ή ερεθίσματα τάσης. Η ουσία της έρευνας βρίσκεται στον φθορισμό που αναδύεται από τα μονομερήΦωτόνιο Εκπομπές στην επιφάνεια του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου. “Αυτή η ενεργοποίηση φθορισμού ήρθε απροσδόκητα, καθώς ούτε το hBN ούτε το υγρό έδειξαν ορατό φθορισμό από μόνα τους. Πιθανότατα προκύπτει από την αλληλεπίδραση μορίων με επιφανειακά ελαττώματα στον κρύσταλλο, αλλά ακόμα δεν είμαστε σίγουροι αν ο ακριβής μηχανισμός.”

Είναι πιθανό τα επιφανειακά ελαττώματα να είναι άτομα που λείπουν στην κρυσταλλική δομή, τα οποία έχουν διαφορετικές ιδιότητες από το αρχικό υλικό, δίνοντάς τους την ικανότητα να εκπέμπουν φως όταν αλληλεπιδρούν με ορισμένα μόρια. Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης ότι όταν ένα ελάττωμα σβήνει, ένας από τους γείτονές του ανάβει, επειδή το μόριο που συνδέεται με την πρώτη θέση μεταπηδά στη δεύτερη θέση. Βήμα προς βήμα, αυτό επιτρέπει την ανακατασκευή ολόκληρων μοριακών οδών.

Χρησιμοποιώντας μια σειρά τεχνικών μικροσκοπίας, η ομάδα παρατήρησε τις αλλαγές χρώματος και έδειξε ότι αυτοί οι εκπομποί φωτός απελευθερώνουν φωτόνια ένα κάθε φορά, παρέχοντας ακριβείς πληροφορίες για το άμεσο περιβάλλον τους σε απόσταση περίπου ενός νανομέτρου. Αυτή η ανακάλυψη επιτρέπει σε αυτούς τους πομπούς να χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές νανοκλίμακας, ρίχνοντας φως στη διάταξη των μορίων μέσα σε περιορισμένους χώρους νανομέτρων.

Τεχνικές συνεργασίας και οπτικοποίησης

Η ομάδα του καθηγητή Radha Boya στο Τμήμα Φυσικής του Μάντσεστερ κατασκεύασε νανοκανάλια από δισδιάστατα υλικά, περιορίζοντας τα υγρά σε απλά νανόμετρα της επιφάνειας του hBN. Αυτή η συνεργασία κατέστησε δυνατή την οπτική εξέταση αυτών των συστημάτων, αποκαλύπτοντας υποδείξεις σχετικά με τη ρευστή τάξη που προκαλείται από τον περιορισμό. “Το να βλέπεις είναι πίστη, αλλά δεν είναι εύκολο να δεις τα αποτελέσματα του περιορισμού σε αυτήν την κλίμακα. Έχουμε φτιάξει αυτά τα εξαιρετικά λεπτά κανάλια που μοιάζουν με σχισμή και η τρέχουσα μελέτη δείχνει έναν κομψό τρόπο οπτικοποίησης τους μέσω μικροσκοπίας υπερ-ανάλυσης.” λέει η Ράντα Πούγια.

Η πιθανότητα αυτής της ανακάλυψης είναι μακροπρόθεσμη. Ο Nathan Ronceray οραματίζεται εφαρμογές πέρα ​​από την παθητική ανίχνευση. «Παρατηρήσαμε κυρίως τη συμπεριφορά των μορίων που περιέχουν hBN χωρίς να αλληλεπιδρούμε ενεργά μαζί τους, αλλά πιστεύουμε ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να απεικονίσουν ροές νανοκλίμακας που δημιουργούνται από πίεση ή ηλεκτρικά πεδία». Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο δυναμικές εφαρμογές στο μέλλον για οπτική απεικόνιση και ανίχνευση, παρέχοντας πρωτοφανείς γνώσεις για τις πολύπλοκες συμπεριφορές των μορίων μέσα σε αυτούς τους στενούς χώρους.

Παραπομπή: “Liquid-activated quantum emission from pristine hexagonal nitride boron for nanofluidic sensing” από τους Nathan Runcray, Yi Yu, Evgeny Glushkov, Martina Lehter, Benjamin Riehl, Tzu-Hing Chen, Gwang Hyun-nam, Fanny Borza, Kenkashitana Taniguchi, Sylvie Rock, Ashok Keerthi, Jean Comtet, Pouya Radha και Alexandra Radinovic, 31 Αυγούστου 2023, Υλικά της φύσης.
doi: 10.1038/s41563-023-01658-2