ローザンヌ連邦工科大学エコール (EPFL) とマンチェスター大学の研究者は、二次元材料と光を使用してナノ流体の秘密を解明しました。ナノ流体技術のブレークスルーは、微小スケールでの分子動力学の理解に革命をもたらすでしょう。ローザンヌ連邦工科大学（EPFL）とマンチェスター大学の科学者らは、新たに発見された二次元グラフェン状材料である窒化ホウ素の蛍光特性を利用して、これまで知られていなかった世界を明らかにするために協力した。

ナノ流体技術の新たな発見により、研究者は窒化ホウ素の蛍光特性を利用して限られた空間内の個々の分子を追跡できるようになり、分子の挙動に関する新たな洞察が明らかになり、光学イメージングおよびセンシング技術の進歩への道が開かれます。上の写真は、新しい研究がナノメートルで囲まれた空間における分子運動の謎をどのように解明できるかを示したものです。写真提供者: TitouanVeuillet/EPFL

この革新的なアプローチにより、科学者はナノ流体構造内の個々の分子を追跡し、これまで不可能だった方法で分子の挙動を明らかにすることができます。この研究結果は最近、Nature Materials 誌に掲載されました。

ナノ流体工学は、超小さな空間に閉じ込められた流体の研究であり、ナノスケールでの液体の挙動についての洞察を提供します。しかし、このような閉鎖された環境で個々の分子の動きを調べることは、従来の顕微鏡技術の限界により困難でした。この障壁はリアルタイムのセンシングとイメージングを妨げ、閉鎖環境における分子特性の理解に大きなギャップを残しています。

顕微鏡の限界を克服する

窒化ホウ素の予期せぬ特性のおかげで、EPFL の研究者たちはかつては不可能だと考えられていたことを達成しました。この二次元素材は、液体と接触すると発光するという驚異的な能力を持っています。この特性を利用して、EPFL ナノ生物学研究所の科学者たちは、ナノ流体構造内の個々の分子の動きを直接観察し、追跡することに成功しました。この発見は、生物システムを模倣した条件下でイオンや分子がどのように動作するかについての洞察への扉を開きます。

3.5kW/cm2561nmレーザー照射、露光時間1秒下のhBN結晶の広視野蛍光画像。出典: EPFL

LBEN所長のアレクサンドラ・ラデノビッチ教授は、「製造と材料科学の進歩により、流体とイオンの輸送をナノスケールで制御できるようになった。しかし、従来の光学顕微鏡では回折限界以下の構造を透過できないため、ナノ流体システムに関する私たちの知識はまだ限られている。今回の私たちの研究は、ナノ流体技術に明るい光を当て、これまでほとんど知られていなかったこの領域についての洞察を与えてくれるものである。」と説明する。

用途と将来性

この分子特性の新たな発見には、圧力や電圧によって刺激されたときに液体が型破りな挙動を示す新しいナノ流体システムを直接画像化する可能性など、刺激的な応用の見通しが含まれています。研究の中心となるのは、六方晶系窒化ホウ素の表面上の単一光子エミッターによって生成される蛍光です。 「六方晶系窒化ホウ素も液体自体も可視領域では蛍光を示さないため、この蛍光活性化は予想外でした。これは分子と結晶表面の欠陥との相互作用によって生成される可能性が最も高いですが、その正確なメカニズムはまだわかっていません」とLBENの博士課程学生ネイサン・ロンセレー氏は言う。

表面欠陥は、元の材料とは異なる特性を持ち、特定の分子と相互作用するときに発光する、結晶構造から欠落した原子である可能性があります。研究者らはさらに、欠陥が消えると、最初の部位に結合した分子が2番目の部位にジャンプしたため、隣接する欠陥の1つが点灯することを観察した。これにより、分子軌道全体を段階的に再構築することができます。

研究チームは、顕微鏡技術を組み合わせて色の変化を監視し、これらの発光団が一度に1つの光子を放出し、約ナノメートル以内で周囲の正確な情報を提供することを実証した。この画期的な進歩により、これらの発光団をナノスケールのプローブとして使用できるようになり、ナノスケールでの限られた空間内の分子の配置が明らかになります。

コラボレーションと可視化テクノロジー

マンチェスター物理学科のラダ・ボヤ教授の研究グループは、二次元材料を使用してナノチャネルを作成し、液体を水素化ホウ素表面からわずか1ナノメートルに閉じ込めた。この提携により、これらのシステムの光学的プローブが可能になり、液体中の閉じ込めによって引き起こされる秩序化の手がかりが明らかになりました。 「百聞は一見にしかずですが、この規模での監禁の影響を確認するのは簡単ではありません。」 RadhaBoya氏は、「私たちはこれらの非常に薄いスリット状のチャネルを作成しました。そして今回の研究は、超解像度顕微鏡でそれらを観察するエレガントな方法を示しています。」と述べました。

この発見の可能性は計り知れません。 Nathan-Lancere 氏は、パッシブセンシングを超えた応用を構想しています。「私たちは主に水素化ホウ素を、能動的に相互作用することなく分子の挙動を観察するために使用していますが、圧力や電場によって引き起こされるナノスケールの流れの観察にも使用できると考えています。」これは将来、光学イメージングやセンシングのためのよりダイナミックな応用につながり、これらの限られた空間内での分子の複雑な挙動について前例のない洞察を提供する可能性があります。