يُعتقد أن هذا مستحيل – اكتشف العلماء عالمًا مخفيًا باستخدام الخصائص المكتشفة حديثًا لمادة تشبه الجرافين

اكتشف باحثون من EPFL وجامعة مانشستر أسرار الموائع النانوية باستخدام مادة ثنائية الأبعاد وضوء.

من المتوقع أن يؤدي التقدم في مجال علم الموائع النانوية إلى إحداث ثورة في فهمنا للديناميكيات الجزيئية عند المقاييس الصغيرة. كشفت الجهود التعاونية التي بذلها العلماء في EPFL وجامعة مانشستر عن عالم كان مخفيًا سابقًا باستخدام خصائص الفلورسنت المكتشفة حديثًا لـ الجرافين– مثل المواد ثنائية الأبعاد، نيتريد البورون. يمكّن هذا النهج المبتكر العلماء من تتبع الجزيئات الفردية داخل هياكل الموائع النانوية، وإلقاء الضوء على سلوكها بطرق لم تكن ممكنة من قبل. وقد نشرت نتائج الدراسة مؤخرا في المجلة مواد الطبيعة.

تقدم علم الموائع النانوية، وهو دراسة السوائل المحصورة في مساحات صغيرة جدًا، نظرة ثاقبة لسلوك السوائل على مقياس النانومتر. ومع ذلك، فإن استكشاف حركة الجزيئات الفردية في مثل هذه البيئات المحصورة كان أمرًا صعبًا بسبب القيود المفروضة على تقنيات الفحص المجهري التقليدية. حالت هذه العقبة دون الاستشعار والتصوير في الوقت الفعلي، مما ترك فجوات كبيرة في معرفتنا بالخصائص الجزيئية في الحبس.

التغلب على القيود المجهرية

بفضل الخاصية غير المتوقعة لنتريد البورون، حقق باحثو EPFL ما كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل. تمتلك هذه المادة ثنائية الأبعاد قدرة رائعة على إصدار الضوء عند ملامستها للسوائل. ومن خلال الاستفادة من هذه الخاصية، نجح العلماء في مختبر علم الأحياء النانوي التابع لـ EPFL في مراقبة وتتبع مسارات الجزيئات الفردية بشكل مباشر داخل هياكل الموائع النانوية. يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام فهم أعمق لسلوكيات الأيونات والجزيئات في الظروف التي تحاكي النظم البيولوجية.

صور مضان واسعة المجال لبلورة hBN أقل من 3.5 كيلو واط / سم 2 561 نانومتر إضاءة ضوء الليزر مع وقت تعريض لمدة ثانية واحدة. الائتمان: EPFL

تشرح البروفيسور ألكساندرا رادينوفيتش، رئيسة LBEN، أن “التقدم في التصنيع وعلوم المواد مكنتنا من التحكم في النقل الموائعي والأيوني في مقياس النانو. ومع ذلك، ظل فهمنا لأنظمة الموائع النانوية محدودًا، حيث لم يتمكن المجهر الضوئي التقليدي من اختراق الهياكل التي تقع تحت حد الحيود. يسلط بحثنا الآن الضوء على الموائع النانوية، ويقدم نظرة ثاقبة لعالم لم يكن معروفًا إلى حد كبير حتى الآن.

التطبيقات والإمكانات المستقبلية

هذا الفهم الجديد للخصائص الجزيئية له تطبيقات مثيرة، بما في ذلك إمكانية التصوير المباشر لأنظمة الموائع النانوية الناشئة، حيث تظهر السوائل سلوكيات غير تقليدية تحت الضغط أو محفزات الجهد. يكمن جوهر البحث في التألق الناشئ من أحاديالفوتون بواعث على سطح نيتريد البورون السداسي. “جاء هذا التنشيط الفلوري بشكل غير متوقع، حيث لم يظهر أي من hBN أو السائل مضانًا مرئيًا من تلقاء نفسه. يقول طالب الدكتوراه ناثان رونسيراي من LBEN: “ينشأ على الأرجح من تفاعل الجزيئات مع العيوب السطحية على البلورة، لكننا ما زلنا غير متأكدين من الآلية الدقيقة”.

يمكن أن تكون العيوب السطحية عبارة عن ذرات مفقودة في البنية البلورية، والتي تختلف خصائصها عن المادة الأصلية، مما يمنحها القدرة على انبعاث الضوء عندما تتفاعل مع جزيئات معينة. ولاحظ الباحثون أيضًا أنه عندما ينطفئ العيب، يضيء أحد جيرانه، لأن الجزيء المرتبط بالموقع الأول يقفز إلى الموقع الثاني. خطوة بخطوة، وهذا يتيح إعادة بناء المسارات الجزيئية بأكملها.

وباستخدام مجموعة من تقنيات الفحص المجهري، راقب الفريق تغيرات اللون وأثبت أن بواعث الضوء هذه تطلق الفوتونات واحدًا تلو الآخر، مما يوفر معلومات دقيقة حول محيطها المباشر في حدود نانومتر واحد تقريبًا. يتيح هذا الإنجاز استخدام هذه البواعث كمسبارات نانوية الحجم، مما يسلط الضوء على ترتيب الجزيئات داخل المساحات النانومترية المحصورة.

تقنيات التعاون والتصور

قامت مجموعة البروفيسور رادها بويا في قسم الفيزياء في مانشستر بتصنيع القنوات النانوية من مواد ثنائية الأبعاد، مما أدى إلى حصر السوائل في مجرد نانومتر من سطح hBN. أتاحت هذه الشراكة إجراء فحص بصري لهذه الأنظمة، والكشف عن تلميحات حول ترتيب السوائل الناجم عن الحبس. “إن الرؤية أمر مصدق، ولكن ليس من السهل رؤية تأثيرات الحبس على هذا النطاق. يقول رادها بويا: “لقد صنعنا هذه القنوات الرفيعة للغاية التي تشبه الشق، وتظهر الدراسة الحالية طريقة أنيقة لتصورها عن طريق الفحص المجهري فائق الدقة”.

إن احتمال هذا الاكتشاف بعيد المدى. يتصور ناثان رونسيراي تطبيقات تتجاوز الاستشعار السلبي. “لقد قمنا في المقام الأول بمراقبة سلوك الجزيئات التي تحتوي على hBN دون التفاعل معها بشكل فعال، ولكننا نعتقد أنه يمكن استخدامها لتصور التدفقات النانوية الناتجة عن الضغط أو المجالات الكهربائية.” وهذا يمكن أن يؤدي إلى تطبيقات أكثر ديناميكية في المستقبل للتصوير والاستشعار البصري، مما يوفر رؤى غير مسبوقة حول السلوكيات المعقدة للجزيئات داخل هذه المساحات الضيقة.

المرجع: “انبعاث الكم المنشط بالسائل من نيتريد البورون السداسي البكر لاستشعار الموائع النانوية” بقلم ناثان رونكراي، يي يو، إيفجيني جلوشكوف، مارتينا ليهتر، بنجامين ريهل، تزو هينج تشين، جوانج هيون نام، فاني بورزا، كينجي واتانابي، تاكاشي تانيغوتشي، سيلفي روك، أشوك كيرثي، جان كومتيت، بويا رادها وألكسندرا رادينوفيتش، 31 أغسطس 2023، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-023-01658-2