來自洛桑聯邦理工學院（EPFL）和曼徹斯特大學（University of Manchester）的研究人員利用二維材料和光揭開了奈米流體的秘密。奈米流體技術的一項突破將徹底改變我們對微小尺度分子動力學的掌握。洛桑聯邦理工學院（EPFL）和曼徹斯特大學（University of Manchester）的科學家們合作，利用一種類似石墨烯的二維材料–氮化硼–新發現的螢光特性，揭開了一個以前不為人知的世界。

奈米流體技術領域的一項新發現使研究人員能夠利用氮化硼的螢光特性追蹤密閉空間中的單一分子，從而揭示分子行為的新見解，並為光學成像和感測技術的進步鋪平道路。上圖是新研究如何揭開奈米封閉空間中分子運動之謎的效果圖。圖片來源：Titouan Veuillet / EPFL

這種創新方法使科學家能夠追蹤奈米流體結構中的單一分子，以前所未有的方式揭示它們的行為。研究結果最近發表在《自然-材料》雜誌。

奈米流體學是對封閉在超小空間內的流體的研究，它提供了對奈米尺度液體行為的洞察力。然而，由於傳統顯微鏡技術的限制，探索單一分子在這種封閉環境中的運動一直是一項挑戰。這一障礙阻礙了即時感測和成像，使我們對封閉環境中分子特性的了解存在巨大差距。

克服顯微鏡限制

由於氮化硼意想不到的特性，EPFL 的研究人員實現了曾經被認為不可能實現的目標。這種二維材料在與液體接觸時具有非凡的發光能力。利用這一特性，洛桑聯邦理工學院奈米生物實驗室的科學家成功地直接觀察並追蹤了奈米流體結構中單一分子的運動軌跡。這項發現為深入了解離子和分子在模擬生物系統條件下的行為打開了大門。

hBN 晶體在3.5 kW/cm2 561 nm 雷射照射下的寬場螢光影像，曝光時間為1 秒。資料來源：EPFL

LBEN 主管Aleksandra Radenovic 教授解釋說：”製造和材料科學的進步使我們有能力在奈米尺度上控制流體和離子傳輸。然而，我們對奈米流體系統的了解仍然有限，因為傳統的光學顯微鏡無法穿透衍射極限以下的結構。現在，我們的研究為奈米流體技術點亮了一盞明燈，讓我們深入了解了這一迄今為止基本上未知的領域”。

應用與未來潛力

對分子特性的這項新發現具有令人興奮的應用前景，包括直接成像新興奈米流體系統的潛力，在奈米流體系統中，液體在壓力或電壓刺激下表現出非常規行為。研究的核心在於六方氮化硼表面單光子發射器所產生的螢光。”這種螢光活化出乎意料，因為六方氮化硼和液體本身都不顯示可見範圍的螢光。它很可能是由分子與晶體表面缺陷相互作用產生的，但我們仍不能確定其確切機制，”來自LBEN 的博士生Nathan Ronceray 說。

表面缺陷可能是晶體結構中缺少的原子，其性質與原始材料不同，當它們與某些分子相互作用時就會發光。研究人員進一步觀察到，當一個缺陷熄滅時，它的一個鄰居會亮起來，因為與第一個位點結合的分子跳到了第二個位點。這樣就能一步一步重建整個分子軌跡。

研究小組結合使用顯微鏡技術，對顏色變化進行了監測，並證明這些發光體每次釋放一個光子，可提供有關其周圍約一奈米範圍內的精確資訊。這項突破使這些發光體可以用作奈米級探針，從而揭示奈米級密閉空間內的分子排列情況。

合作與視覺化技術

曼徹斯特物理系Radha Boya 教授的研究小組以二維材料製作了奈米通道，將液體限制在氫化硼表面僅一奈米的範圍內。這種合作關係使得對這些系統進行光學探測成為可能，從而發現了禁錮誘導液體有序化的蛛絲馬跡。”眼見為實，但要看到這種尺度的約束效應並不容易。”Radha Boya 說：”我們製作了這些極薄的狹縫狀通道，目前的研究展示了一種透過超解析度顯微鏡觀察它們的優雅方法。”

這項發現的潛力是深遠的。內森-朗塞雷設想了被動感測以外的應用：「我們主要是用氫化硼觀察分子的行為，而沒有主動與之相互作用，但我們認為它可以用來觀察壓力或電場引起的奈米級流動”。這可能會在未來為光學成像和感測帶來更多動態應用，為了解分子在這些密閉空間內的複雜行為提供前所未有的洞察力。