Forscher der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und der Universität Manchester haben zweidimensionale Materialien und Licht verwendet, um die Geheimnisse von Nanoflüssigkeiten zu lüften. Ein Durchbruch in der Nanofluidtechnologie wird unser Verständnis der Molekulardynamik auf winzigen Skalen revolutionieren. Wissenschaftler der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und der Universität Manchester haben zusammengearbeitet, um mithilfe der neu entdeckten fluoreszierenden Eigenschaften von Bornitrid, einem zweidimensionalen graphenähnlichen Material, eine bisher unbekannte Welt zu enthüllen.
Dieser innovative Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, einzelne Moleküle innerhalb von Nanofluidstrukturen zu verfolgen und ihr Verhalten auf eine noch nie dagewesene Weise aufzudecken. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Unter Nanofluidik versteht man die Untersuchung von Flüssigkeiten, die in kleinsten Räumen eingeschlossen sind, und liefert Einblicke in das Verhalten von Flüssigkeiten im Nanomaßstab. Allerdings war die Untersuchung der Bewegung einzelner Moleküle in einer solch geschlossenen Umgebung aufgrund der Einschränkungen traditioneller Mikroskopietechniken eine Herausforderung. Diese Barriere behindert die Erfassung und Bildgebung in Echtzeit und hinterlässt eine große Lücke in unserem Verständnis der molekularen Eigenschaften in geschlossenen Umgebungen.
Grenzen des Mikroskops überwinden
Dank der unerwarteten Eigenschaften von Bornitrid haben Forscher der EPFL geschafft, was einst für unmöglich gehalten wurde. Dieses zweidimensionale Material hat die außergewöhnliche Fähigkeit, bei Kontakt mit Flüssigkeiten Licht zu emittieren. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft ist es den Wissenschaftlern des Labors für Nanobiologie der EPFL gelungen, die Bewegung einzelner Moleküle in Nanofluidstrukturen direkt zu beobachten und zu verfolgen. Diese Entdeckung eröffnet Einblicke in das Verhalten von Ionen und Molekülen unter Bedingungen, die biologische Systeme nachahmen.
Professorin Aleksandra Radenovic, Direktorin des LBEN, erklärt: „Fortschritte in der Fertigung und in den Materialwissenschaften haben uns die Möglichkeit gegeben, den Flüssigkeits- und Ionentransport auf der Nanoskala zu kontrollieren. Allerdings ist unser Wissen über nanofluidische Systeme noch begrenzt, da die herkömmliche optische Mikroskopie Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze nicht durchdringen kann. Unsere Forschung wirft nun ein helles Licht auf die nanofluidische Technologie und gibt uns Einblicke in dieses bisher weitgehend unbekannte Gebiet.“
Anwendungen und Zukunftspotenziale
Diese neue Entdeckung molekularer Eigenschaften bietet spannende Anwendungsaussichten, einschließlich der Möglichkeit, neu entstehende nanofluidische Systeme direkt abzubilden, in denen Flüssigkeiten unkonventionelles Verhalten zeigen, wenn sie durch Druck oder Spannung stimuliert werden. Im Mittelpunkt der Forschung steht die Fluoreszenz, die Einzelphotonenemitter auf der Oberfläche von hexagonalem Bornitrid erzeugen. „Diese Fluoreszenzaktivierung war unerwartet, da weder hexagonales Bornitrid noch die Flüssigkeit selbst Fluoreszenz im sichtbaren Bereich zeigen. Sie wird höchstwahrscheinlich durch die Wechselwirkung des Moleküls mit Defekten auf der Kristalloberfläche erzeugt, aber wir sind uns über den genauen Mechanismus immer noch nicht sicher“, sagt Doktorand Nathan Ronceray vom LBEN.
Oberflächendefekte können in der Kristallstruktur fehlende Atome sein, die andere Eigenschaften als das ursprüngliche Material haben und Licht emittieren, wenn sie mit bestimmten Molekülen interagieren. Die Forscher beobachteten außerdem, dass beim Auftauchen eines Defekts einer seiner Nachbarn aufleuchtete, weil das an der ersten Stelle gebundene Molekül zur zweiten Stelle sprang. Dadurch lässt sich die gesamte molekulare Flugbahn Schritt für Schritt rekonstruieren.
Mit einer Kombination von Mikroskopietechniken überwachte das Team die Farbveränderungen und zeigte, dass diese Luminophore jeweils ein Photon aussenden und so präzise Informationen über ihre Umgebung innerhalb von etwa einem Nanometer liefern. Dieser Durchbruch ermöglicht die Verwendung dieser Luminophore als nanoskalige Sonden, die die Anordnung von Molekülen in begrenzten Räumen auf der Nanoskala aufdecken.
Kollaborations- und Visualisierungstechnologie
Die Forschungsgruppe von Professor Radha Boya am Department of Physics in Manchester schuf Nanokanäle aus zweidimensionalen Materialien, um die Flüssigkeit auf nur einen Nanometer von der Borhydridoberfläche entfernt zu begrenzen. Diese Partnerschaft ermöglichte die optische Untersuchung dieser Systeme und deckte Hinweise auf eine durch den Einschluss verursachte Ordnung in Flüssigkeiten auf. „Sehen heißt glauben, aber es ist nicht einfach, die Auswirkungen der Eingrenzung in diesem Ausmaß zu erkennen.“ RadhaBoya sagte: „Wir haben diese extrem dünnen schlitzartigen Kanäle hergestellt, und die aktuelle Studie zeigt eine elegante Möglichkeit, sie mithilfe hochauflösender Mikroskopie zu beobachten.“
Das Potenzial dieser Entdeckung ist enorm. Nathan-Lancere stellt sich Anwendungen vor, die über die passive Sensorik hinausgehen: „Wir verwenden Borhydrid hauptsächlich, um das Verhalten von Molekülen zu beobachten, ohne aktiv mit ihnen zu interagieren, aber wir glauben, dass es verwendet werden könnte, um nanoskalige Strömungen zu beobachten, die durch Druck oder elektrische Felder verursacht werden.“ Dies könnte in Zukunft zu dynamischeren Anwendungen für die optische Bildgebung und Sensorik führen und beispiellose Einblicke in das komplexe Verhalten von Molekülen innerhalb dieser begrenzten Räume liefern.