Investigadores de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) y la Universidad de Manchester han utilizado materiales bidimensionales y luz para descubrir los secretos de los nanofluidos. Un gran avance en la tecnología de nanofluidos revolucionará nuestra comprensión de la dinámica molecular a escalas diminutas. Científicos de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) y la Universidad de Manchester han colaborado para revelar un mundo previamente desconocido utilizando las propiedades fluorescentes recientemente descubiertas del nitruro de boro, un material bidimensional similar al grafeno.
Este enfoque innovador permite a los científicos rastrear moléculas individuales dentro de estructuras de nanofluidos, revelando su comportamiento de maneras nunca antes posibles. Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Nature Materials.
La nanofluídica es el estudio de fluidos encerrados en espacios ultrapequeños, lo que proporciona información sobre el comportamiento de los líquidos a nanoescala. Sin embargo, explorar el movimiento de moléculas individuales en un entorno tan cerrado ha sido un desafío debido a las limitaciones de las técnicas de microscopía tradicionales. Esta barrera dificulta la detección y la obtención de imágenes en tiempo real, dejando un enorme vacío en nuestra comprensión de las propiedades moleculares en entornos cerrados.
Superar las limitaciones del microscopio
Gracias a las propiedades inesperadas del nitruro de boro, los investigadores de la EPFL han logrado lo que antes se pensaba imposible. Este material bidimensional tiene la extraordinaria capacidad de emitir luz al entrar en contacto con líquidos. Aprovechando esta propiedad, los científicos del Laboratorio de Nanobiología de la EPFL han logrado observar y rastrear directamente el movimiento de moléculas individuales en estructuras de nanofluidos. Este descubrimiento abre la puerta a conocimientos sobre cómo se comportan los iones y las moléculas en condiciones que imitan los sistemas biológicos.
La profesora Aleksandra Radenovic, directora de LBEN, explica: "Los avances en la fabricación y la ciencia de los materiales nos han dado la capacidad de controlar el transporte de fluidos e iones a nanoescala. Sin embargo, nuestro conocimiento de los sistemas nanofluídicos aún es limitado porque la microscopía óptica convencional no puede penetrar estructuras por debajo del límite de difracción. Nuestra investigación arroja ahora una luz brillante sobre la tecnología nanofluídica y nos brinda información sobre este área hasta ahora en gran medida desconocida".
Aplicaciones y potencial futuro
Este nuevo descubrimiento de propiedades moleculares tiene interesantes perspectivas de aplicación, incluido el potencial de obtener imágenes directas de sistemas nanofluídicos emergentes, en los que los líquidos exhiben un comportamiento no convencional cuando se estimulan mediante presión o voltaje. El núcleo de la investigación es la fluorescencia producida por emisores de fotón único en la superficie del nitruro de boro hexagonal. "Esta activación de la fluorescencia fue inesperada, ya que ni el nitruro de boro hexagonal ni el propio líquido muestran fluorescencia en el rango visible. Lo más probable es que se genere por la interacción de la molécula con defectos en la superficie del cristal, pero todavía no estamos seguros de su mecanismo exacto", dice el estudiante de doctorado Nathan Ronceray de LBEN.
Los defectos de la superficie pueden ser átomos que faltan en la estructura cristalina y que tienen propiedades diferentes a las del material original y emiten luz cuando interactúan con ciertas moléculas. Los investigadores observaron además que cuando se activaba un defecto, uno de sus vecinos se iluminaba porque la molécula unida al primer sitio saltaba al segundo sitio. Esto permite reconstruir paso a paso toda la trayectoria molecular.
Utilizando una combinación de técnicas de microscopía, el equipo monitoreó los cambios de color y demostró que estos luminóforos emiten un fotón a la vez, proporcionando información precisa sobre su entorno en aproximadamente un nanómetro. Este avance permite que estos luminóforos se utilicen como sondas a nanoescala, revelando la disposición de las moléculas dentro de espacios confinados a nanoescala.
Tecnología de colaboración y visualización.
El grupo de investigación de la profesora Radha Boya en el Departamento de Física de Manchester creó nanocanales utilizando materiales bidimensionales para confinar el líquido a sólo un nanómetro de la superficie del hidruro de boro. Esta asociación permitió el sondeo óptico de estos sistemas, descubriendo pistas de ordenamiento en líquidos inducido por el confinamiento. "Ver para creer, pero no es fácil ver el efecto del confinamiento a esta escala". RadhaBoya dijo: "Hicimos estos canales extremadamente delgados en forma de rendijas, y el estudio actual muestra una forma elegante de observarlos a través de microscopía de súper resolución".
El potencial de este descubrimiento es profundo. Nathan-Lancere imagina aplicaciones más allá de la detección pasiva: "Utilizamos principalmente hidruro de boro para observar el comportamiento de las moléculas sin interactuar activamente con ellas, pero creemos que podría usarse para observar flujos a nanoescala causados por presión o campos eléctricos". Esto puede conducir a aplicaciones más dinámicas para la detección y la obtención de imágenes ópticas en el futuro, proporcionando conocimientos sin precedentes sobre el complejo comportamiento de las moléculas dentro de estos espacios confinados.