機械力是許多物理和生物過程的基本特徵。從機器人到細胞生物物理學和醫學,甚至到太空旅行,各種應用都需要以高靈敏度和空間分辨率遠端測量機械訊號。擅長測量皮牛頓力,而較大的感測器已被證明在探測微牛頓力方面非常強大。然而,可從地下或界面位置遠端探測的力值仍然存在很大差距,而且還沒有單一非侵入式感測器能夠在理解許多系統所需的大動態範圍內進行測量。
力動態範圍和感測器尺寸與先前報告的發光力感測器的比較。 QD,半導體量子點; FRET、福斯特共振 ET; UCNP,上轉換奈米粒子; RBC,紅血球; ECM、細胞外基質
新型高響應性奈米級力感測器
在《自然》今天發表的論文中,領導的團隊哥倫比亞工程公司研究人員和合作者報告說,他們發明了新型奈米級力感測器。它們是發光奈米晶體,當您推或拉它們時,它們可以改變強度和/或顏色。這些「全光學」奈米感測器僅用光進行探測,因此可以完全遠端讀出——不需要電線或連接。
研究人員領導的吉姆·舒克,副教授機械工業, 和娜塔莉·法迪安-梅拉梅德博士後學者他的團隊與勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科恩和陳團隊一起開發了奈米感測器,該感測器在類似的奈米探針中實現了最靈敏的力響應和最大的動態範圍。它們的力靈敏度比現有的利用稀土離子進行光學響應的奈米粒子高出100 倍,並且操作範圍跨越了四個數量級以上的力,比任何奈米粒子都要大得多(10-100 倍)。
舒克說:“我們預計我們的發現將徹底改變光學力感測器可實現的靈敏度和動態範圍,並將立即顛覆從機器人到細胞生物物理學、醫學到太空旅行等領域的技術。”
新的奈米感測器可以在以前無法進入的環境中運行
新型奈米感測器首次利用同一奈米感測器實現了高解析度、多尺度功能。這很重要,因為這意味著僅僅是這種奈米感測器,而不是一套不同類別的感測器,就可以用於工程和生物系統(例如發育中的胚胎)中從亞細胞到整個系統層面的力的連續研究、遷移電池、電池或整合 NEMS、非常敏感的奈米機電系統,其中奈米級結構的物理運動由電子電路控制,反之亦然。
Fardian-Melamed 表示:“除了無與倫比的多尺度感測能力之外,這些力感測器的獨特之處在於它們採用良性、生物相容性和深度穿透的紅外光進行操作。” 「這使得人們能夠深入了解各種技術和生理系統,並遠端監控他們的健康狀況。這些感測器能夠及早檢測到這些系統的故障或失效,將對人類健康、能源和永續發展等領域產生深遠影響。
利用光子雪崩效應建構奈米感測器
該團隊能夠透過利用奈米晶體內的光子雪崩效應來建構這些奈米感測器。在光子雪崩奈米粒子中,第一次發現通過舒克的團體在哥倫比亞工程學院,材料內單一光子的吸收引發了一系列事件的連鎖反應,最終導致許多光子的發射。因此:一個光子被吸收,許多光子被發射。這是一個極其非線性和不穩定的過程,舒克喜歡將其描述為“急劇非線性”,並用“雪崩”這個詞來形容。
該研究的奈米晶體中的光學活性成分是元素週期表中鑭系元素(也稱為稀土元素)的原子離子,它們被摻雜到奈米晶體中。在這篇論文中,該團隊使用了铥。
團隊調查了一個令人驚訝的觀察結果
研究人員發現,光子雪崩過程對幾個因素非常非常敏感,包括鑭系元素離子之間的間距。考慮到這一點,他們用原子力顯微鏡 (AFM) 尖端敲擊了一些光子雪崩奈米顆粒 (ANP),發現雪崩行為受到這些溫和力的極大影響 - 遠遠超出他們的預期。
「我們幾乎是偶然發現了這一點,」舒克說。 「我們懷疑這些奈米粒子對力敏感,因此我們在敲擊它們時測量了它們的發射。結果他們比預想的要敏感得多!一開始我們其實不相信;我們認為這個提示可能會產生不同的效果。但後來娜塔莉做了所有的控制測量,發現反應都是由於這種極端的力敏感性造成的。
在了解 ANP 的敏感性後,團隊設計了新的奈米粒子,能夠以不同的方式回應力。在一種新設計中,奈米粒子根據施加的力改變其發光顏色。在另一種設計中,他們製造的奈米粒子在環境條件下不會表現出光子雪崩,但在施加力時確實會開始雪崩——事實證明,這些奈米粒子對力極其敏感。
來源:哥倫比亞大學