Una scoperta nel campo della nanofluidica potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione del comportamento molecolare alle più piccole scale. I team di ricerca dell’EPFL e dell’Università di Manchester hanno rivelato un mondo finora sconosciuto utilizzando le proprietà fluorescenti recentemente scoperte di un materiale 2D simile al grafene, il nitruro di boro. Questo approccio innovativo consente agli scienziati di seguire singole molecole all’interno di strutture nanofluidiche e di far luce sul loro comportamento in un modo mai possibile prima. I risultati di questo studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials.
Il nostro studio fa luce sulla nanofluidica, sollevando il sipario su un campo finora largamente inesplorato.La nanofluidica, lo studio dei fluidi confinati in spazi molto piccoli, fornisce informazioni sul comportamento dei liquidi su scala nanometrica. Tuttavia, lo studio della dinamica delle singole molecole in ambienti così ristretti si scontra con i limiti delle tecniche microscopiche convenzionali. Finora, questa sfida ha impedito il rilevamento e l’imaging in tempo reale, lasciando lacune significative nella nostra conoscenza delle proprietà molecolari in ambienti confinati.
Professoressa Aleksandra Radenovic, Direttore del LBEN, Facoltà di Ingegneria
Grazie a una proprietà inaspettata del nitruro di boro, i ricercatori della Facoltà di Scienze e Tecniche dell’Ingegneria dell’EPFL hanno ottenuto un risultato che prima si riteneva impossibile. Questo materiale 2D ha la straordinaria capacità di emettere luce quando entra in contatto con i liquidi. Sfruttando questa proprietà, gli scienziati del Laboratory of Biology at the Nanoscale (LBEN) dell’EPFL sono riusciti a osservare e a seguire direttamente i movimenti delle singole molecole all’interno di strutture nanofluidiche. Questa rivelazione apre la strada a una migliore comprensione del comportamento di ioni e molecole in condizioni vicine ai sistemi biologici.
La professoressa Aleksandra Radenovic, direttore del LBEN, spiega: "I progressi nella produzione e nella scienza dei materiali ci hanno permesso di controllare il trasporto di fluidi e ioni su scala nanometrica. Tuttavia, la nostra comprensione dei sistemi nanofluidici è rimasta limitata perché la microscopia ottica convenzionale non riusciva a penetrare le strutture al di sotto del limite di diffrazione. Il nostro studio fa luce sulla nanofluidica, sollevando il sipario su un campo finora largamente inesplorato".
Questa nuova comprensione delle proprietà molecolari ha interessanti applicazioni. In particolare, consente l’imaging diretto dei sistemi nanofluidici emergenti, in cui i liquidi mostrano un comportamento non convenzionale sotto l’effetto di stimoli di pressione o tensione. Il cuore della ricerca risiede nella fluorescenza di emettitori a singolo fotone sulla superficie del nitruro di boro esagonale (hBN). "Questa attivazione della fluorescenza si è verificata inaspettatamente, poiché né l’hBN né il liquido mostrano fluorescenza nella gamma del visibile. La fluorescenza è probabilmente dovuta all’interazione delle molecole con i difetti sulla superficie del cristallo, ma non siamo ancora certi del meccanismo esatto", spiega Nathan Ronceray, dottorando presso la LBEN.
I difetti superficiali possono essere atomi mancanti nella struttura cristallina le cui proprietà differiscono da quelle del materiale originale. Questa caratteristica consente loro di emettere luce quando entrano in interazione con determinate molecole. Il team di ricerca ha anche osservato che quando un difetto smette di emettere luce, subentra uno dei suoi vicini, perché la molecola legata al primo sito si è spostata nel secondo. Questo fenomeno sta gradualmente rendendo possibile la ricostruzione di traiettorie molecolari complete.
Utilizzando una combinazione di tecniche microscopiche, il team ha seguito i cambiamenti di colore e ha dimostrato che questi emettitori di luce rilasciano fotoni uno a uno, fornendo informazioni precise sull’ambiente circostante in un raggio di circa un nanometro. Questo progresso consente di utilizzare questi emettitori come sonde su scala nanometrica e di far luce sulla disposizione delle molecole in spazi ristretti dell’ordine di un nanometro.
Il team di Radha Boya del Dipartimento di Fisica dell’Università di Manchester ha creato nano-canali di materiali bidimensionali, confinando i liquidi a pochi nanometri dalla superficie dell’hBN. Questa collaborazione ha permesso di sondare otticamente questi sistemi e di scoprire indizi sull’ordine liquido indotto dal confinamento. "Bisogna vedere per credere, ma non è facile vedere gli effetti del confinamento su questa scala. Abbiamo creato questi canali estremamente sottili a forma di fessura e lo studio attuale presenta un modo elegante di visualizzarli utilizzando la microscopia a super-risoluzione", spiega Radha Boya.
Il potenziale di questa scoperta è notevole. Nathan Ronceray vede applicazioni che vanno oltre il rilevamento passivo. "Abbiamo osservato principalmente il comportamento delle molecole con l’hBN senza interagire attivamente. Tuttavia, pensiamo che potrebbe essere utilizzato per visualizzare flussi su scala nanometrica causati da pressione o campi elettrici". Questa ipotesi potrebbe aprire la strada ad applicazioni più dinamiche nell’imaging ottico e nel rilevamento, fornendo informazioni senza precedenti sul complesso comportamento delle molecole in questi spazi confinati.
