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Pesquisadores da Universidade de Manchester e da École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), na Suíça, revelaram uma abordagem inovadora para rastrear a dinâmica de moléculas individuais dentro de estruturas nanofluídicas, iluminando sua resposta às moléculas de maneiras nunca antes possíveis.
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.
Uma equipe liderada pela professora Radha Boya, do Departamento de Física da Universidade de Manchester, fabrica nanocanais com espessura de apenas um átomo ou poucos átomos, usando materiais bidimensionais como blocos de construção.
O professor Boya disse:”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.”
As conclusões do estudo são publicadas na revista Materiais da Natureza.
A parceria com a equipe da EPFL permitiu a sondagem óptica desses sistemas, revelando indícios de ordenação de líquidos induzidos pelo confinamento.
Graças a uma propriedade inesperada do nitreto de boro, um material 2D semelhante ao grafeno que possui uma notável capacidade de emitir luz quando em contato com líquidos, pesquisadores do Laboratório de Biologia em Nanoescala (LBEN) da EPFL conseguiram observar e traçar diretamente os caminhos de indivíduos. moléculas 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 núcleo da pesquisa está na fluorescência proveniente de emissores de fóton único na superfície hexagonal do nitreto de boro.
O estudante de doutorado Nathan Ronceray, do LBEN, disse:”Essa ativação de fluorescência foi inesperada, pois nem o nitreto de boro hexagonal (hBN) nem o líquido exibem fluorescência na faixa visível por conta própria. Provavelmente surge de moléculas que interagem com defeitos de superfície no cristal hBN , mas ainda não temos certeza do mecanismo exato”,
Dr. Yi You, um pós-doutorado da Universidade de Manchester, projetou os nanocanais de tal forma que os líquidos confinantes ficam a poucos nanômetros da superfície do hBN, que apresenta alguns defeitos.
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 para demonstrar com sucesso que esses emissores de luz emitem 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 potencial para esta descoberta é de longo alcance. Nathan Ronceray prevê aplicações além da detecção passiva.
Ele disse: “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.”
O projeto recebeu financiamento do Conselho Europeu de Pesquisa, da Royal Society University Research Fellowship, do Royal Society International Exchanges Award e da bolsa EPSRC New Horizons.
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