Une découverte dans le domaine de la nanofluidique pourrait bouleverser notre compréhension du comportement moléculaire aux plus petites échelles. Des équipes de recherche de l'EPFL et de l'Université de Manchester ont révélé un monde jusqu'alors caché en utilisant les propriétés fluorescentes récemment découvertes d'un matériau 2D semblable au graphène, le nitrure de bore. Cette approche innovante permet aux scientifiques de suivre des molécules individuelles au sein de structures nanofluidiques, éclairant ainsi leur comportement d'une manière jamais possible auparavant.

Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Nature Materials. .

La nanofluidique, l'étude des fluides confinés dans des espaces ultra-petits, offre un aperçu du comportement des liquides à l'échelle nanométrique. Cependant, explorer le mouvement de molécules individuelles dans des environnements aussi confinés s’est avéré difficile en raison des limites des techniques de microscopie conventionnelles. Cet obstacle a empêché la détection et l'imagerie en temps réel, laissant des lacunes importantes dans notre connaissance des propriétés moléculaires en confinement.

Grâce à une propriété inattendue du nitrure de bore, les chercheurs de l'EPFL ont réalisé ce que l'on croyait autrefois impossible. Ce matériau 2D possède une capacité remarquable à émettre de la lumière au contact de liquides. En exploitant cette propriété, les scientifiques du Laboratoire de biologie à l'échelle nanométrique de l'EPFL ont réussi à observer et à tracer directement les trajectoires de molécules individuelles au sein de structures nanofluidiques. Cette révélation ouvre la porte à une compréhension plus approfondie des comportements des ions et des molécules dans des conditions qui imitent les systèmes biologiques.

Le professeur Aleksandra Radenovic, responsable du LBEN, explique :« Les progrès en matière de fabrication et de science des matériaux nous ont permis de contrôler le transport fluidique et ionique à l'échelle nanométrique. Pourtant, notre compréhension des systèmes nanofluidiques est restée limitée, car la microscopie optique conventionnelle ne pouvait pas pénétrer les structures situées en dessous. la limite de diffraction. Nos recherches mettent désormais en lumière la nanofluidique, offrant un aperçu d'un domaine qui était largement inexploré jusqu'à présent. "

Cette nouvelle compréhension des propriétés moléculaires a des applications passionnantes, notamment la possibilité d’imager directement des systèmes nanofluidiques émergents, dans lesquels les liquides présentent des comportements non conventionnels sous des stimuli de pression ou de tension. Le cœur de la recherche réside dans la fluorescence provenant des émetteurs de photons uniques à la surface du nitrure de bore hexagonal.

"Cette activation de la fluorescence s'est produite de manière inattendue, car ni le hBN ni le liquide ne présentent eux-mêmes une fluorescence dans le visible. Elle provient très probablement de molécules interagissant avec des défauts de surface sur le cristal, mais nous ne sommes toujours pas certains du mécanisme exact", explique le doctorant. étudiant Nathan Ronceray, du LBEN.

Les défauts de surface peuvent être dus à des atomes manquants dans la structure cristalline, dont les propriétés diffèrent de celles du matériau d'origine, leur conférant la capacité d'émettre de la lumière lorsqu'ils interagissent avec certaines molécules. Les chercheurs ont en outre observé que lorsqu'un défaut s'éteint, l'un de ses voisins s'allume, car la molécule liée au premier site saute vers le second. Étape par étape, cela permet de reconstruire des trajectoires moléculaires entières.

En utilisant une combinaison de techniques de microscopie, l’équipe a surveillé les changements de couleur et démontré que ces émetteurs de lumière libèrent des photons un par un, offrant des informations précises sur leur environnement immédiat dans un rayon d’environ un nanomètre. Cette percée permet d'utiliser ces émetteurs comme sondes à l'échelle nanométrique, mettant en lumière la disposition des molécules dans des espaces nanométriques confinés.

Le groupe du professeur Radha Boya du département de physique de Manchester a fabriqué les nanocanaux à partir de matériaux bidimensionnels, confinant les liquides à seulement quelques nanomètres de la surface du hBN. Ce partenariat a permis de sonder optiquement ces systèmes, révélant des indices d'ordre des liquides induits par le confinement. "Voir, c'est croire, mais il n'est pas facile de constater les effets de confinement à cette échelle. Nous créons ces canaux extrêmement fins, semblables à des fentes, et l'étude actuelle montre une manière élégante de les visualiser par microscopie à super-résolution", explique Radha Boya.

Le potentiel de cette découverte est considérable. Nathan Ronceray envisage des applications au-delà de la détection passive. "Nous avons principalement observé le comportement des molécules contenant du hBN sans interagir activement avec elles, mais nous pensons que cela pourrait être utilisé pour visualiser des flux à l'échelle nanométrique provoqués par la pression ou des champs électriques."

Cela pourrait conduire à des applications plus dynamiques à l'avenir pour l'imagerie et la détection optiques, fournissant des informations sans précédent sur les comportements complexes des molécules dans ces espaces confinés.

Plus d'informations : Émission quantique activée par liquide à partir de nitrure de bore hexagonal vierge pour la détection nanofluidique, Nature Materials (2023). DOI :10.1038/s41563-023-01658-2

Informations sur le journal : Matériaux naturels

Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne