Uma descoberta no campo da nanofluídica pode abalar a nossa compreensão do comportamento molecular nas escalas mais ínfimas. Equipes de pesquisa da EPFL e da Universidade de Manchester revelaram um mundo anteriormente oculto usando as propriedades fluorescentes recém-descobertas de um material 2D semelhante ao grafeno, o nitreto de boro. Esta abordagem inovadora permite aos cientistas rastrear moléculas individuais dentro de estruturas nanofluídicas, iluminando o seu comportamento de formas nunca antes possíveis.



As descobertas do estudo foram publicadas na revista Nature Materials .

A nanofluídica, o estudo de fluidos confinados em espaços ultrapequenos, oferece insights sobre o comportamento dos líquidos em escala nanométrica. No entanto, explorar o movimento de moléculas individuais em tais ambientes confinados tem sido um desafio devido às limitações das técnicas convencionais de microscopia. Este obstáculo impediu a detecção e a imagem em tempo real, deixando lacunas significativas no nosso conhecimento das propriedades moleculares no confinamento.

Graças a uma propriedade inesperada do nitreto de boro, os pesquisadores da EPFL alcançaram o que antes era considerado impossível. Este material 2D possui uma notável capacidade de emitir luz quando em contato com líquidos. Ao aproveitar esta propriedade, os cientistas do Laboratório de Biologia em Nanoescala da EPFL conseguiram observar e rastrear diretamente os caminhos de moléculas individuais dentro de estruturas nanofluídicas. Esta revelação abre a porta para uma compreensão mais profunda do comportamento de íons e moléculas em condições que imitam sistemas biológicos.

A professora Aleksandra Radenovic, chefe do LBEN, explica:"Os avanços na fabricação e na ciência dos materiais nos capacitaram a controlar o transporte fluídico e iônico em nanoescala. No entanto, nossa compreensão dos sistemas nanofluídicos permaneceu limitada, já que a microscopia de luz convencional não conseguiu penetrar nas estruturas abaixo o limite de difração. Nossa pesquisa agora ilumina a nanofluídica, oferecendo insights sobre um domínio que era praticamente desconhecido até agora."

Esta nova compreensão das propriedades moleculares tem aplicações interessantes, incluindo o potencial para gerar imagens diretas de sistemas nanofluídicos emergentes, onde os líquidos exibem comportamentos não convencionais sob estímulos de pressão ou tensão. O cerne da pesquisa está na fluorescência proveniente de emissores de fóton único na superfície hexagonal do nitreto de boro.

"Essa ativação de fluorescência ocorreu inesperadamente, já que nem o hBN nem o líquido exibem fluorescência na faixa visível por si próprios. Provavelmente surge de moléculas que interagem com defeitos de superfície no cristal, mas ainda não temos certeza do mecanismo exato, "diz o doutorando aluno Nathan Ronceray, do LBEN.

Os defeitos superficiais podem ser falta de átomos na estrutura cristalina, cujas propriedades diferem das do material original, conferindo-lhes a capacidade de emitir luz quando interagem com determinadas moléculas. Os investigadores observaram ainda que quando um defeito é desligado, um dos seus vizinhos acende-se, porque a molécula ligada ao primeiro local saltou para o segundo. Passo a passo, isso permite reconstruir trajetórias moleculares inteiras.

Usando uma combinação de técnicas de microscopia, a equipe monitorou as mudanças de cor e demonstrou que esses emissores de luz liberam fótons um de cada vez, oferecendo informações precisas sobre seu entorno imediato em cerca de um nanômetro. Esta descoberta permite o uso desses emissores como sondas em nanoescala, lançando luz sobre o arranjo de moléculas dentro de espaços nanométricos confinados.

O grupo da professora Radha Boya, do departamento de Física de Manchester, criou os nanocanais a partir de materiais bidimensionais, confinando os líquidos a meros nanômetros da superfície do hBN. Esta parceria permitiu a sondagem óptica destes sistemas, revelando indícios de ordenação de líquidos induzidos pelo confinamento. "Ver para crer, mas não é fácil ver os efeitos do confinamento nesta escala. Fazemos esses canais extremamente finos em forma de fenda, e o estudo atual mostra uma maneira elegante de visualizá-los por microscopia de super-resolução", diz Radha Boya.

O potencial para esta descoberta é de longo alcance. Nathan Ronceray prevê aplicações além da detecção passiva. "Temos observado principalmente o comportamento de moléculas com hBN sem interagir ativamente, mas achamos que poderia ser usado para visualizar fluxos em nanoescala causados ​​por pressão ou campos elétricos."

Isso poderia levar a aplicações mais dinâmicas no futuro para imagens e sensores ópticos, fornecendo insights sem precedentes sobre os intrincados comportamentos das moléculas dentro desses espaços confinados.

Mais informações: Emissão quântica ativada por líquido a partir de nitreto de boro hexagonal puro para detecção nanofluídica, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01658-2
Informações do diário: Materiais Naturais

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