El nitruro de boro hexagonal tiene una curiosa propiedad: emite luz cuando entra en contacto con líquidos, lo que ofrece información precisa, fotón a fotón, sobre su entorno. Investigadores de Suiza y Reino Unido han aprovechado esta ventaja para rastrear moléculas individuales dentro de estructuras nanofluídicas, una visión sin precedentes para estudiar su comportamiento en espacios nanoconfinados.
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 revista Nature Materials un método innovador que permite rastrear moléculas individuales dentro de estructuras nanofluídicas, iluminando su comportamiento como nunca antes.
El nuevo método permite rastrear moléculas individuales dentro de estructuras nanofluídicas, iluminando su comportamiento como nunca antes
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».
Nuestra investigación arroja luz y ofrece una visión de un campo hasta ahora inexplorado
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.
La interacción de moléculas con defectos superficiales en la estructura cristalina pueden generar la fluorescencia. Cuando un defecto se apaga, el vecino se enciende al saltar la molécula, lo que permite seguir su trayectoria
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.
Los emisores de luz liberan fotones de uno en uno, ofreciendo información precisa sobre su entorno en un espacio de un nanómetro
«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.
Ver para creer, pero no es fácil observar los efectos del confinamiento a esta escala. Hacemos estos canales extremadamente finos y el estudio muestra una forma elegante de visualizarlos con microscopía de superresolución
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