科学家利用新发现的类石墨烯材料特性追踪纳米流体结构中的单个分子

来自洛桑联邦理工学院（EPFL）和曼彻斯特大学（University of Manchester）的研究人员利用二维材料和光揭开了纳米流体的秘密。纳米流体技术的一项突破将彻底改变我们对微小尺度分子动力学的掌握。洛桑联邦理工学院（EPFL）和曼彻斯特大学（University of Manchester）的科学家们合作，利用一种类似石墨烯的二维材料--氮化硼--新发现的荧光特性，揭开了一个以前不为人知的世界。

纳米流体技术领域的一项新发现使研究人员能够利用氮化硼的荧光特性追踪密闭空间中的单个分子，从而揭示分子行为的新见解，并为光学成像和传感技术的进步铺平道路。上图是新研究如何揭开纳米封闭空间中分子运动之谜的效果图。图片来源：Titouan Veuillet / EPFL

这种创新方法使科学家们能够追踪纳米流体结构中的单个分子，以前所未有的方式揭示它们的行为。研究结果最近发表在《自然-材料》杂志上。

纳米流体学是对封闭在超小空间内的流体的研究，它提供了对纳米尺度液体行为的洞察力。然而，由于传统显微镜技术的限制，探索单个分子在这种封闭环境中的运动一直是一项挑战。这一障碍阻碍了实时传感和成像，使我们对封闭环境中分子特性的了解存在巨大差距。

克服显微镜限制

得益于氮化硼意想不到的特性，EPFL 的研究人员实现了曾经被认为不可能实现的目标。这种二维材料在与液体接触时具有非凡的发光能力。利用这一特性，洛桑联邦理工学院纳米生物实验室的科学家们成功地直接观察和追踪了纳米流体结构中单个分子的运动轨迹。这一发现为深入了解离子和分子在模拟生物系统条件下的行为打开了大门。

hBN 晶体在 3.5 kW/cm2 561 nm 激光照射下的宽场荧光图像，曝光时间为 1 秒。资料来源：EPFL

LBEN 主管 Aleksandra Radenovic 教授解释说："制造和材料科学的进步使我们有能力在纳米尺度上控制流体和离子传输。然而，我们对纳米流体系统的了解仍然有限，因为传统的光学显微镜无法穿透衍射极限以下的结构。现在，我们的研究为纳米流体技术点亮了一盏明灯，让我们深入了解了这一迄今为止基本上未知的领域"。

应用与未来潜力

对分子特性的这一新发现具有令人兴奋的应用前景，包括直接成像新兴纳米流体系统的潜力，在纳米流体系统中，液体在压力或电压刺激下表现出非常规行为。研究的核心在于六方氮化硼表面单光子发射器产生的荧光。"这种荧光激活出乎意料，因为六方氮化硼和液体本身都不显示可见范围的荧光。它很可能是由分子与晶体表面缺陷相互作用产生的，但我们仍不能确定其确切机制，"来自 LBEN 的博士生 Nathan Ronceray 说。

表面缺陷可能是晶体结构中缺失的原子，其性质与原始材料不同，当它们与某些分子相互作用时就会发光。研究人员进一步观察到，当一个缺陷熄灭时，它的一个邻居会亮起来，因为与第一个位点结合的分子跳到了第二个位点。这样就能一步一步地重建整个分子轨迹。

研究小组结合使用显微镜技术，对颜色变化进行了监测，并证明这些发光体每次释放一个光子，可提供有关其周围约一纳米范围内的精确信息。这一突破使这些发光体可以用作纳米级探针，从而揭示纳米级密闭空间内的分子排列情况。

合作与可视化技术

曼彻斯特物理系 Radha Boya 教授的研究小组用二维材料制作了纳米通道，将液体限制在距氢化硼表面仅一纳米的范围内。这种合作关系使得对这些系统进行光学探测成为可能，从而发现了禁锢诱导液体有序化的蛛丝马迹。"眼见为实，但要看到这种尺度的约束效应并不容易。"Radha Boya 说："我们制作了这些极薄的狭缝状通道，目前的研究展示了一种通过超分辨率显微镜观察它们的优雅方法。"

这一发现的潜力是深远的。内森-朗塞雷设想了被动传感以外的应用："我们主要是用氢化硼观察分子的行为，而没有主动与之相互作用，但我们认为它可以用来观察压力或电场引起的纳米级流动"。这可能会在未来为光学成像和传感带来更多动态应用，为了解分子在这些密闭空间内的复杂行为提供前所未有的洞察力。