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摘要翻译：光学可访问、可规模化且平面式的纳米流控通道对于研究受限条件下的输运和局域化行为具有重要意义。二维（2D）材料能够提供大面积、原子级平整的界面，但通过自上而下的纳米加工实现长程一维（1D）受限仍然具有挑战性，因为这需要在长距离上实现可重复的纳米级特征控
摘要翻译：光学可访问、可规模化且平面式的纳米流控通道对于研究受限条件下的输运和局域化行为具有重要意义。二维（2D）材料能够提供大面积、原子级平整的界面，但通过自上而下的纳米加工实现长程一维（1D）受限仍然具有挑战性，因为这需要在长距离上实现可重复的纳米级特征控制、高良率，并在水相条件下保持分析物的低非特异性吸附。本文证明，对剥离的六方氮化硼（hBN）进行热诱导褶皱化，可通过无光刻工艺产生自组装的通道状网络。通过改变薄片厚度和衬底类型，研究人员量化了褶皱密度和形貌的变化趋势，建立了一个实用的制备设计空间。原子力显微镜和电子显微镜揭示了垂直受限尺寸从<2 nm到>100 nm不等，具体取决于薄片厚度和衬底。研究人员利用液滴接触后的时间分辨光学成像来可视化液体向褶皱网络内的渗透。互补的拉曼水OH伸缩振动带成像以及基于KPFM的扫描介电显微镜电容梯度（dC/dz）成像确认，液体可在褶皱内滞留超过10小时。最后，研究人员通过集成石墨烯覆盖层来抑制荧光背景，实现了概念验证的生物分子受限实验，从而能够沿hBN纳米通道对ATTO647N标记DNA进行宽场定位。总体而言，自组装hBN褶皱提供了一种可扩展、光学可寻址的平面纳米流控平台，用于限制流体和生物分子。
论文解读：利用热诱导六方氮化硼褶皱构建平面纳米流控平台
1 研究背景与问题
微流控系统能够稳健地操控小体积液体，支持在明确边界条件下进行受控输送、混合以及化学和生物过程的长期观测。随着该领域的发展，研究兴趣日益转向纳米流控范畴，在该尺度下输运行为不仅受整体流体动力学控制，还受到表面滑移、静电相互作用、吸附/脱附动力学以及受限依赖迁移率等界面效应的影响。因此，在实用的微流控操作与平面纳米受限之间搭建桥梁，成为芯片实验室工程和分子诊断领域的核心目标。传统的自上而下纳米加工虽然能够制备几何定义良好的纳米通道，但常需在良率、表面质量和加工复杂度之间权衡。刻蚀和高能图案化可能引入粗糙度、化学残留和电荷陷阱，从而阻碍定量输运测量并增加水环境中的非特异性吸附。当需要长而高纵横比的通道，或器件需兼容光学读出和表面敏感表征时，这些局限性变得更为严重。
相比之下，二维材料提供了另一种生成平面纳米受限构型的吸引人途径，因为它们能够提供原子级平整且化学稳定的界面，形成极其光滑的通道壁。范德华组装已被用于制造缝隙状毛细管，其高度可由间隔晶体的厚度以单原子层精度设定。然而，这些方法通常仍需光刻定义存取区域，且工艺步骤较多。与此同时，2D材料加工中普遍存在的褶皱现象尚未被充分探索为功能性通道构型。褶皱是薄膜或2D晶体在衬底上承受压应力时，通过屈曲释放应变能而形成的，在软物质和薄膜力学中被广泛研究。尤其在少层六方氮化硼（hBN）中，热退火可以产生具有三重及少量四重折纸型结点的褶皱网络，这些结点与特定晶体取向对齐，表明褶皱化能够生成高度结构化且晶学定义的路径。从微流控角度看，这些特征具有吸引力：它们无需复杂制备技术即可在大面积上形成，局限于表面，光学可及，并能形成便于电子显微镜和扫描探针方法探测的延伸网络。因此，研究人员提出利用热诱导hBN褶皱作为平面纳米通道，以规避传统纳米加工和范德华组装的相关限制。
2 研究目标与主要技术方法
为了验证这一设想，研究人员系统研究了多层hBN在三种不同衬底（SiO2/Si、蓝宝石、石英）上的热致褶皱行为。他们使用的hBN块体晶体来自日本NIMS高温高压合成，通过机械剥离获得多层薄片，并在850°C、95% N2/5% H2的成型气体中退火15分钟以生成褶皱。后续的表征实验采用了多种关键技术方法：原子力显微镜（AFM）用于表征表面形貌和褶皱几何参数；共聚焦拉曼光谱和成像用于映射褶皱附近的应变分布及水道中的水OH伸缩振动信号；扫描开尔文探针显微镜（KPFM）配合电容梯度（dC/dz）成像用于检测受限水的介电响应；荧光显微镜用于观察标记DNA的定位。此外，研究人员还通过干法转移在预形成褶皱的hBN上覆盖石墨烯层，构建垂直异质结构以抑制荧光背景。
3 主要研究结果
（1）褶皱网络的形成与形貌调控
研究人员首先通过AFM系统表征了不同厚度hBN薄片在三种衬底上的褶皱密度、高度和宽度。实验结果显示，褶皱密度从蓝宝石到SiO2/Si再到石英逐渐降低，这与有效热膨胀失配的减小趋势一致。在相同衬底家族内，较厚的薄片表现出较低的褶皱密度，这归因于厚度增加带来的弯曲刚度增大和层间耦合增强，抑制了离面变形。褶皱截面近似三角形，宽度处于微米量级，高度从亚10纳米到数百纳米不等。较薄的薄片倾向于形成更宽更浅的狭缝状开口，而较厚薄片则呈现更大的高宽比。在石英衬底上，约53%的薄片产生接近<2 nm高度的低幅纳米褶皱，这为后续液体渗透实验提供了理想的纳米尺度垂直间隙。这些观察与经典薄膜褶皱力学预测一致，表明通过衬底选择和薄片厚度可以统计学地调控褶皱形貌。
（2）沿hBN褶皱的应变分布及其光学特征
为了将褶皱几何与应变状态关联，研究人员对较宽的高振幅褶皱进行了共聚焦拉曼映射。AFM高度剖面确认了脊状截面和数十微米长度的路径连续性。拉曼E2g峰位图显示，相对于附近平坦区域，脊顶处波数较高，而脊谷处波数较低，呈现出与弯曲多层膜中曲率驱动的应力再分配一致的空间变化模式。尽管跨褶皱的拉曼位移小于1 cm?1，而平坦区域波动仅约0.1 cm?1，拉曼信号与形貌的空间相关性仍表明褶皱周围存在弱局部应变再分布。此外，光致发光（PL）映射显示不同光谱窗口的发射强度可突出褶皱几何的不同部分，说明局部应变环境影响了缺陷态发光路径，这为在液体加载和生物分子实验前光学定位和表征纳米通道网络提供了手段。
（3）hBN纳米通道的液体填充与保留
为了验证液体能否进入褶皱通道，研究人员进行了时间分辨光学成像实验，将异丙醇（IPA）液滴与褶皱接触。观察到沿褶皱方向的对比度变化在约0.6秒内达到近饱和，表明毛细驱动的快速液体渗透。由于最初0–0.2秒的填充过程快于光学记录的时间分辨率，该初始阶段应被理解为帧间发生的毛细主导事件。在532 nm激光激发下，研究人员还观察到颗粒沿褶皱通道发生位移，而参考特征保持固定，排除了全局漂移的可能。随后，研究人员使用KPFM扫描介电显微镜检测了Milli-Q水填充前后褶皱的电容梯度（dC/dz）变化。在约7 nm厚的hBN薄片（褶皱高度20–60 nm）上，水填充后褶皱高度增加了2–5 nm，说明水被封装并轻微膨胀了褶皱。电容梯度信号在水填充后增大约2.4倍，对应相对介电常数从空气（约1）到水（约80）的变化，证实了水分进入了褶皱内部。拉曼映射进一步显示，水特有的OH伸缩振动带（3100–3600 cm?1）仅在褶皱内部出现，且随着浸水时间从2分钟延长到60分钟，信号强度明显增加，表明更长时间浸渍导致更多水被捕获并保留。此外，用含10 mM MgCl?的1×TAE缓冲液替换Milli-Q水后，电容梯度对比度变得不那么负，这与电解质溶液介电常数降低一致，证明该方法能够区分不同液体成分。
（4）hBN/石墨烯纳米通道中受限DNA的荧光检测
为证明褶皱通道可用于生物分子成像，研究人员引入了ATTO647N标记的单链DNA（ssDNA）。初始实验中，DNA液滴接触褶皱后，荧光信号增强于褶皱位置，但AFM表征显示ssDNA也可能吸附在褶皱脊和周围hBN表面，无法明确区分通道内分子与表面吸附分子。为了抑制表面背景，研究人员构建了hBN/石墨烯垂直异质结构。首先在约7.5 nm厚hBN上转移约4.5 nm石墨烯层，荧光成像显示石墨烯覆盖区域几乎完全猝灭荧光，验证了非辐射能量转移的猝灭效果。随后，他们将约10 nm石墨烯转移到预形成褶皱的68 nm厚hBN上。由于68 nm远大于50%激发能量转移的特征距离（约11 nm），通道内的ssDNA荧光不受石墨烯猝灭，而表面吸附的DNA被有效猝灭。实验结果显示，ssDNA溶液滴加后，荧光选择性出现在褶皱内部，且保持可见约10小时，表明纳米限域内强毛细压力抑制了蒸发。研究人员还注意到一种常见失败模式：当褶皱内存在气泡或通道末端封闭时，荧光信号无法沿通道连续传播，说明自由通路是DNA加载的必要条件。对照实验排除了缓冲液本身产生荧光的可能性。
4 讨论与结论
研究人员验证了热诱导褶皱形成的hBN网络可作为液体和生物分子可访问的平面纳米通道。通过衬底和薄片厚度选择，可以统计调控褶皱密度和形貌，从而在无需光刻的情况下建立实用设计空间。时间分辨光学成像和电容梯度/拉曼测量证据一致表明，液体能够通过毛细作用进入褶皱网络并在其中保留超过10小时。石墨烯覆盖层作为距离依赖的背景抑制界面，实现了通道内DNA的高对比度宽场成像。与此同时，研究人员识别了关键局限性，包括hBN表面的非特异性吸附、转移引起的界面不均匀性以及气泡导致的填充失败。未来工作可通过表面钝化、改善转移均匀性和脱气/预处理方案来解决这些问题，并加入定量输运测量以建立形貌与纳米流控性能之间的联系。总体而言，自组装hBN褶皱提供了一种简单可扩展的途径，用于构建光学可寻址的平面纳米流控受限平台，在液体混合物纳米表征和（生物）分子分析方面具有前景。该研究发表于《Small》。
