استخدم باحثون من مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان (EPFL) وجامعة مانشستر مواد ثنائية الأبعاد والضوء لفتح أسرار السوائل النانوية. إن التقدم في تكنولوجيا السوائل النانوية سيحدث ثورة في فهمنا للديناميكيات الجزيئية على نطاقات صغيرة. تعاون علماء من كلية الفنون التطبيقية الفيدرالية في لوزان (EPFL) وجامعة مانشستر للكشف عن عالم غير معروف سابقًا باستخدام خصائص الفلورسنت المكتشفة حديثًا لنتريد البورون، وهي مادة تشبه الجرافين ثنائية الأبعاد.
يسمح هذا النهج المبتكر للعلماء بتتبع الجزيئات الفردية داخل هياكل السوائل النانوية، والكشف عن سلوكها بطرق لم تكن ممكنة من قبل. وقد نشرت النتائج مؤخرا في مجلة مواد الطبيعة.
علم الموائع النانوية هو دراسة السوائل المحصورة في مساحات صغيرة جدًا، مما يوفر نظرة ثاقبة لسلوك السوائل على المستوى النانوي. ومع ذلك، فإن استكشاف حركة الجزيئات الفردية في مثل هذه البيئة المغلقة كان يمثل تحديًا بسبب القيود المفروضة على تقنيات الفحص المجهري التقليدية. يعيق هذا الحاجز الاستشعار والتصوير في الوقت الفعلي، مما يترك فجوة كبيرة في فهمنا للخصائص الجزيئية في البيئات المغلقة.
التغلب على قيود المجهر
بفضل الخصائص غير المتوقعة لنتريد البورون، حقق باحثو EPFL ما كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل. تتمتع هذه المادة ثنائية الأبعاد بقدرة غير عادية على إصدار الضوء عند ملامستها للسوائل. من خلال الاستفادة من هذه الخاصية، نجح العلماء في مختبر علم الأحياء النانوي التابع لـ EPFL في مراقبة وتتبع حركة الجزيئات الفردية في هياكل السوائل النانوية بشكل مباشر. يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام رؤى حول كيفية تصرف الأيونات والجزيئات في ظل ظروف تحاكي النظم البيولوجية.
تشرح البروفيسور ألكساندرا رادينوفيتش، مديرة LBEN: "لقد منحنا التقدم في التصنيع وعلوم المواد القدرة على التحكم في نقل السوائل والأيونات على المستوى النانوي. ومع ذلك، فإن معرفتنا بأنظمة الموائع النانوية لا تزال محدودة لأن المجهر الضوئي التقليدي لا يمكنه اختراق الهياكل التي تقل عن حد الحيود. يسلط بحثنا الآن الضوء الساطع على تكنولوجيا الموائع النانوية ويمنحنا نظرة ثاقبة في هذا المجال غير المعروف إلى حد كبير حتى الآن."
التطبيقات والإمكانات المستقبلية
يتمتع هذا الاكتشاف الجديد للخصائص الجزيئية بآفاق تطبيقية مثيرة، بما في ذلك إمكانية التصوير المباشر لأنظمة الموائع النانوية الناشئة، والتي تظهر فيها السوائل سلوكًا غير تقليدي عند تحفيزها بالضغط أو الجهد. في قلب البحث يوجد التألق الناتج عن بواعث أحادية الفوتون على سطح نيتريد البورون السداسي. يقول طالب الدكتوراه ناثان رونسيراي من LBEN: "كان هذا التنشيط الفلوري غير متوقع، حيث لا يظهر نيتريد البورون السداسي ولا السائل نفسه مضانًا في النطاق المرئي. على الأرجح يتم توليده عن طريق تفاعل الجزيء مع العيوب الموجودة على السطح البلوري، لكننا ما زلنا غير متأكدين من آليته الدقيقة".
قد تكون العيوب السطحية عبارة عن ذرات مفقودة من التركيب البلوري لها خصائص مختلفة عن المادة الأصلية وتنبعث منها الضوء عندما تتفاعل مع جزيئات معينة. ولاحظ الباحثون أيضًا أنه عندما يحدث الخلل، يضيء أحد جيرانه لأن الجزيء المرتبط بالموقع الأول قفز إلى الموقع الثاني. وهذا يسمح بإعادة بناء المسار الجزيئي بأكمله خطوة بخطوة.
وباستخدام مجموعة من تقنيات الفحص المجهري، راقب الفريق تغيرات اللون وأثبت أن هذه المصابيح المضيئة تبعث فوتونًا واحدًا في كل مرة، مما يوفر معلومات دقيقة عن محيطها في حدود نانومتر تقريبًا. يسمح هذا الإنجاز باستخدام هذه المصابيح المضيئة كمسبارات على المستوى النانوي، مما يكشف عن ترتيب الجزيئات داخل المساحات الضيقة على المستوى النانوي.
تكنولوجيا التعاون والتصور
قامت مجموعة أبحاث البروفيسور رادها بويا في قسم الفيزياء في مانشستر بإنشاء قنوات نانوية باستخدام مواد ثنائية الأبعاد لحصر السائل في نانومتر واحد فقط من سطح هيدريد البورون. مكنت هذه الشراكة من إجراء فحص بصري لهذه الأنظمة، وكشفت عن أدلة على الترتيب الناجم عن الحبس في السوائل. "الرؤية أمر مصدق، لكن ليس من السهل رؤية تأثير الحبس على هذا النطاق". وقال RadhaBoya: "لقد صنعنا هذه القنوات الرفيعة للغاية التي تشبه الشق، وتظهر الدراسة الحالية طريقة أنيقة لمراقبتها من خلال الفحص المجهري فائق الدقة".
إمكانات هذا الاكتشاف عميقة. يتصور ناثان لانسير تطبيقات تتجاوز الاستشعار السلبي: "نحن نستخدم في المقام الأول هيدريد البورون لمراقبة سلوك الجزيئات دون التفاعل معها بشكل فعال، ولكننا نعتقد أنه يمكن استخدامه لمراقبة التدفقات النانوية الناتجة عن الضغط أو المجالات الكهربائية." قد يؤدي هذا إلى تطبيقات أكثر ديناميكية للتصوير والاستشعار البصري في المستقبل، مما يوفر رؤى غير مسبوقة حول السلوك المعقد للجزيئات داخل هذه المساحات الضيقة.