Cómo seguir la trayectoria de una molécula en un nanofluido

Un descubrimiento en el campo de los nanofluidos podría sacudir nuestra comprensión del comportamiento molecular en las escalas más diminutas. Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, en Suiza) y la Universidad de Mánchester (Reino Unido) han desvelado un mundo hasta ahora oculto utilizando las propiedades fluorescentes recién descubiertas de un material 2D similar al grafeno: el nitruro de boro.

El equipo presenta esta semana en la revistaNature Materialsun método innovador que permite rastrear moléculas individuales dentro de estructuras nanofluídicas, iluminando su comportamiento como nunca antes.

La nanofluídica, el estudio de los fluidos confinados en espacios ultrapequeños, permite comprender cómo se comportan los líquidos a escala nanométrica. Sin embargo, explorar el movimiento de moléculas individuales en entornos tan reducidos ha supuesto todo un reto debido a las propias limitaciones de las técnicas de microscopía convencionales. Este obstáculo impedía detectar y obtener imágenes en tiempo real, dejando importantes lagunas en el conocimiento de las propiedades moleculares en confinamiento.

Pero gracias a una inesperada propiedad del nitruro de boro, los autores han logrado lo que antes se creía imposible. Este material 2D posee una notable capacidad para emitir luz cuando entra en contacto con líquidos, y aprovechando esta propiedad es como se ha logrado observar y trazar directamente las trayectorias de moléculas individuales dentro de estructuras nanofluídicas.

Nueva vía para adentrarse en los nanofluidos

Según los investigadores, este avance abre la puerta a una comprensión más profunda de los comportamientos de iones y otras sustancias en condiciones que imitan los sistemas biológicos.

La profesora Aleksandra Radenovic, directora del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la EPFL, explica: "Los avances en la fabricación y la ciencia de los materiales nos han permitido controlar el transporte de iones y fluidos a nanoescala. Sin embargo, nuestra comprensión de los sistemas nanofluídicos seguía siendo limitada, ya que la microscopía óptica convencional no podía penetrar en las estructuras por debajo del llamado límite de difracción. Ahora, nuestra investigación arroja luz y ofrece una visión de un campo hasta ahora inexplorado".

Este nuevo conocimiento de las propiedades moleculares tiene aplicaciones interesantes, como la posibilidad de obtener imágenes directas de los sistemas nanofluídicos emergentes, en los que los líquidos muestran comportamientos poco convencionales bajo estímulos de presión o tensión.

Emisores monofotónicos en nitruro de boro

En concreto, la investigación se centra en la fluorescencia originada por emisores monofotónicos en una superficie del nitruro de boro hexagonal. "Esta activación de la fluorescencia surgió de forma inesperada, ya que ni ese nitruro ni el líquido presentan fluorescencia de rango visible por sí mismos. Lo más probable es que se deba a la interacción de las moléculas con los defectos superficiales del cristal, pero aún no sabemos cuál es el mecanismo exacto", explica el coautor Nathan Ronceray del EPFL.

Los defectos superficiales pueden ser átomos ausentes en la estructura cristalina, cuyas propiedades difieren del material original, lo que les confiere la capacidad de emitir luz cuando interactúan con determinadas moléculas. Los investigadores observaron además que cuando un defecto se apaga, uno de sus vecinos se ilumina, porque la molécula unida al primer sitio salta al segundo. Paso a paso, esto permite reconstruir trayectorias moleculares completas.

Mediante una combinación de técnicas de microscopía, el equipo controló los cambios de color y demostró que estos emisores de luz liberan fotones de uno en uno, ofreciendo información precisa sobre su entorno inmediato en un espacio de alrededor de un nanómetro. Este avance permite utilizar estos emisores como sondas a nanoescala, arrojando luz sobre la disposición de las moléculas en espacios nanométricos confinados.

Por su parte, el grupo del profesor Radha Boya, del departamento de Física de Manchester, elaboró los nanocanales a partir de materiales bidimensionales, confinando los líquidos a escasos nanómetros de la superficie del nitruro de boro hexagonal. Esta colaboración permitió probar ópticamente estos sistemas y descubrir indicios del ordenamiento de los líquidos inducido por el confinamiento.

"Ver para creer, pero no es fácil observar los efectos del confinamiento a esta escala. Hacemos estos canales extremadamente finos en forma de rendija, y el estudio actual muestra una forma elegante de visualizarlos mediante microscopía de superresolución", destaca Boya.

El potencial de este descubrimiento es de gran alcance, según los autores. Ronceray prevé incluso aplicaciones más allá de la detección pasiva: "Principalmente hemos estado observando el comportamiento de moléculas con el nitruro sin interactuar activamente, pero creemos que podría utilizarse para visualizar flujos a nanoescala causados por presión o campos eléctricos".

Esto podría dar lugar a aplicaciones más dinámicas en el futuro para nuevos sistemas de imágenes ópticas y detección, proporcionando una visión sin precedentes de los intrincados comportamientos de las moléculas dentro de estos espacios confinados.

Referencia:

"Liquid-activated quantum emission from pristine hexagonal boron nitride for nanofluidic sensing". Nature Materials, 2023

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