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Científicos de la Universidad de Manchester y la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suiza, han presentado un método pionero para monitorear la dinámica de moléculas individuales en estructuras nanofluídicas y demostraron su respuesta a las moléculas de una manera nunca antes posible.
La nanofluídica se refiere a la investigación de líquidos encerrados en espacios muy pequeños. Proporciona información sobre las propiedades de los líquidos a escala nanométrica. Sin embargo, debido a las limitaciones de los enfoques de microscopía tradicionales, ha resultado difícil estudiar la movilidad de moléculas individuales en estas condiciones limitadas. Este obstáculo hizo imposible la obtención de imágenes y la detección en tiempo real y dejó importantes lagunas en la comprensión de las propiedades moleculares en el estado atrapado.
Un grupo dirigido por la profesora Radha Boya del Departamento de Física de la Universidad de Manchester utiliza materiales 2D como bloques de construcción para formar nanocanales que tienen entre uno y unos pocos átomos de espesor.
Ver para creer, pero no es fácil ver el impacto de la contención a esta escala. Fabricamos estos canales extremadamente delgados en forma de rendijas y el estudio actual muestra una forma elegante de visualizarlos mediante microscopía de alta resolución..
Profesora Radha Boya, Departamento de Física, Universidad de Manchester
en el diario materiales naturalesse publican los resultados de la investigación.
La colaboración del equipo de la EPFL permitió el estudio óptico de dichos sistemas y reveló pistas sobre el ordenamiento de los fluidos provocado por el confinamiento.
Debido a una propiedad inesperada del nitruro de boro, un material bidimensional similar al grafeno que posee una notable capacidad para emitir luz al entrar en contacto con líquidos, los científicos del Laboratorio de Biología a Nanoescala (LBEN) de la EPFL han podido rastrear directamente las rutas de los seres humanos individuales. moléculas dentro de estructuras nanofluídicas.
Esta revelación sienta las bases para una comprensión más profunda de las propiedades de los iones y las moléculas en entornos que imitan los sistemas biológicos.
Los avances en la fabricación y la ciencia de los materiales nos han permitido controlar el transporte de líquidos e iones a nanoescala. Sin embargo, nuestra comprensión de los sistemas nanofluídicos seguía siendo limitada, ya que la microscopía óptica convencional no podía penetrar estructuras por debajo del límite de difracción. Nuestra investigación ahora arroja luz sobre los nanofluidos y ofrece información sobre un área que antes era en gran medida desconocida.
Profesora Aleksandra Radenovic, Jefa del Laboratorio de Nanobiología, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Esta nueva comprensión de las propiedades moleculares ofrece aplicaciones interesantes y la posibilidad de obtener imágenes directamente de sistemas nanofluídicos emergentes en los que los fluidos exhiben propiedades no convencionales bajo estímulos de presión o estrés.
El núcleo del estudio reside en 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 (hBN) ni el líquido solo muestran fluorescencia visible. Lo más probable es que surja de moléculas que interactúan con defectos de la superficie del cristal de hBN, pero aún no estamos seguros del mecanismo exacto..
Nathan Ronceray, estudiante de doctorado, Laboratorio de Nanobiología, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
dr. Yi You, becario postdoctoral de la Universidad de Manchester, programó los nanocanales de modo que los líquidos confinados estuvieran a nanómetros de la superficie del hBN, lo que plantea algunas limitaciones.
En la estructura cristalina, los defectos superficiales pueden surgir debido a la falta de átomos cuyas propiedades difieren del material original, dándoles la capacidad de emitir luz al comunicarse con ciertas moléculas.
Los científicos también descubrieron que cuando se desactiva un defecto, uno de sus vecinos se ilumina cuando la molécula unida en el primer sitio salta al segundo sitio. Esto facilita gradualmente la reconstrucción de trayectorias moleculares completas.
Utilizando una combinación de técnicas de microscopía, el equipo rastreó los cambios de color para demostrar de manera eficiente que estos emisores de luz liberan fotones secuencialmente, proporcionando datos destacados sobre su entorno inmediato en aproximadamente un nanómetro. Este descubrimiento permite el uso de estos emisores como sondas a nanoescala que arrojan luz sobre la organización de las moléculas dentro de espacios nanométricos confinados.
La posibilidad de este avance es de gran alcance. Nathan Ronceray predice aplicaciones que van más allá de la detección pasiva.
Él explicó, «Hemos observado principalmente el comportamiento de las moléculas con hBN sin interactuar activamente con él, pero creemos que podría usarse para visualizar flujos a nanoescala inducidos por presión o campos eléctricos.. Esto podría conducir a aplicaciones más dinámicas para imágenes y sensores ópticos en el futuro, y proporcionar información sin precedentes sobre el complejo comportamiento de las moléculas dentro de estos espacios confinados.«.
El proyecto recibió apoyo financiero del Consejo Europeo de Investigación, la Beca de Investigación Universitaria de la Royal Society, el Premio de Intercambios Internacionales de la Royal Society y la Beca EPSRC New Horizons.
referencia de revista
Ronceray, N. et al. (2023) Emisión cuántica activada por líquido a partir de nitruro de boro hexagonal puro para detección de nanofluidos. materiales naturales. doi.org/10.1038/s41563-023-01658-2
Fuente: https://www.manchester.ac.uk/
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