นาโนเซนเซอร์แบบออปติคัลทั้งหมดที่พัฒนาขึ้นใหม่เป็นนาโนคริสตัลเรืองแสงที่สามารถเปลี่ยนความเข้มและ/หรือสีได้เมื่อคุณกดหรือดึง ตรวจสอบด้วยแสงเท่านั้น ดังนั้นจึงช่วยให้สามารถอ่านค่าจากระยะไกลได้อย่างเต็มที่ โดยไม่จำเป็นต้องใช้สายไฟหรือการเชื่อมต่อ พวกมันมีความไวต่อแรงที่ดีกว่าอนุภาคนาโนที่มีอยู่ถึง 100 เท่า ซึ่งใช้ไอออนของธาตุหายากสำหรับการตอบสนองทางแสง และมีช่วงการทำงานที่ครอบคลุมมากกว่าสี่ขนาดของแรง ซึ่งเป็นช่วงที่ใหญ่กว่ามาก (ใหญ่กว่า 10-100 เท่า) มากกว่าใดๆ นาโนเซนเซอร์แบบออปติคัลก่อนหน้า
ภาพประกอบของการจัดเรียงอะตอมภายในนาโนคริสตัลที่เจือด้วยแลนทาไนด์เดี่ยว แลนทาไนด์ไอออนแต่ละตัวสามารถเปล่งแสงได้ เครดิตรูปภาพ: Andrew Mueller / Columbia Engineering
“เราคาดหวังว่าการค้นพบของเราจะปฏิวัติความไวและช่วงไดนามิกที่สามารถทำได้ด้วยเซ็นเซอร์วัดแรงแบบออปติคัล และจะขัดขวางเทคโนโลยีในด้านต่างๆ ตั้งแต่หุ่นยนต์ไปจนถึงชีวฟิสิกส์ของเซลล์และการแพทย์ไปจนถึงการเดินทางในอวกาศ” ดร. จิม ชุค นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียกล่าว
นาโนเซนเซอร์ใหม่มีฟังก์ชันหลายสเกลความละเอียดสูงด้วยนาโนเซนเซอร์ตัวเดียวกันเป็นครั้งแรก
นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากหมายความว่าเพียงแค่นาโนเซนเซอร์นี้เท่านั้นที่สามารถใช้เพื่อการศึกษาแรงอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ระดับเซลล์ย่อยไปจนถึงระดับทั้งระบบ แทนที่จะใช้ชุดเซ็นเซอร์ประเภทต่างๆ กัน เช่น การพัฒนาเอ็มบริโอ การย้ายเซลล์ แบตเตอรี่ หรือ NEMS ในตัว ซึ่งเป็นระบบเครื่องกลนาโนไฟฟ้าที่มีความไวสูง ซึ่งการเคลื่อนไหวทางกายภาพของโครงสร้างขนาดนาโนเมตรถูกควบคุมโดยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ หรือในทางกลับกัน
“สิ่งที่ทำให้เซ็นเซอร์แรงเหล่านี้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว นอกเหนือจากความสามารถในการตรวจจับหลายสเกลที่ไม่มีใครเทียบได้ ก็คือพวกมันทำงานด้วยแสงอินฟราเรดที่ไม่เป็นอันตราย เข้ากันได้ทางชีวภาพ และทะลุผ่านได้ลึก” ดร. นาตาลี ฟาร์เดียน-เมลาเมด นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย กล่าว
“สิ่งนี้ทำให้สามารถมองลึกลงไปในระบบเทคโนโลยีและสรีรวิทยาต่างๆ และติดตามสุขภาพของพวกเขาจากระยะไกล”
“การเปิดใช้งานการตรวจจับความผิดปกติหรือความล้มเหลวในระบบเหล่านี้ตั้งแต่เนิ่นๆ เซ็นเซอร์เหล่านี้จะมีผลกระทบอย่างมากต่อสาขาต่างๆ ตั้งแต่สุขภาพของมนุษย์ไปจนถึงพลังงานและความยั่งยืน”
นักวิจัยสามารถสร้างนาโนเซนเซอร์เหล่านี้ได้โดยการใช้ประโยชน์จากโฟตอนถล่มภายในนาโนคริสตัล
ในอนุภาคนาโนที่ถล่มด้วยโฟตอน การดูดกลืนโฟตอนเพียงตัวเดียวภายในวัสดุทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ของเหตุการณ์ที่นำไปสู่การปล่อยโฟตอนจำนวนมากในท้ายที่สุด ดังนั้นโฟตอนหนึ่งถูกดูดซับ และโฟตอนจำนวนมากถูกปล่อยออกมา
ส่วนประกอบที่มีฤทธิ์ทางแสงภายในนาโนคริสตัลของการศึกษาคือไอออนอะตอมจากแถวแลนทาไนด์ของธาตุในตารางธาตุหรือที่เรียกว่าธาตุหายากซึ่งถูกเจือเข้าไปในนาโนคริสตัล ในการศึกษาครั้งนี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้ทูเลียม
พวกเขาพบว่ากระบวนการโฟตอนถล่มนั้นไวต่อหลายสิ่งมาก รวมถึงระยะห่างระหว่างไอออนแลนทาไนด์
ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงแตะอนุภาคนาโนถล่มโฟตอน (ANPs) ด้วยปลายกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม (AFM) และค้นพบว่าพฤติกรรมการถล่มได้รับผลกระทบอย่างมากจากแรงอ่อนโยนเหล่านี้ ซึ่งมากกว่าที่พวกเขาเคยคาดไว้มาก
“เราค้นพบสิ่งนี้เกือบจะโดยบังเอิญ” ดร. Schuck กล่าว
“เราสงสัยว่าอนุภาคนาโนเหล่านี้ไวต่อแรง ดังนั้นเราจึงวัดการปล่อยก๊าซในขณะที่แตะพวกมัน”
“และพวกเขากลายเป็นคนอ่อนไหวมากกว่าที่คาดไว้มาก!”
“จริงๆ แล้วเราไม่เชื่อมันในตอนแรก เราคิดว่าทิปอาจมีผลแตกต่างออกไป”
เมื่อทราบว่า ANP มีความไวเพียงใด ผู้เขียนจึงได้ออกแบบอนุภาคนาโนใหม่ที่จะตอบสนองต่อแรงในรูปแบบต่างๆ
ในการออกแบบใหม่ อนุภาคนาโนจะเปลี่ยนสีของการเรืองแสงขึ้นอยู่กับแรงที่ใช้
ในการออกแบบอื่น พวกเขาสร้างอนุภาคนาโนที่ไม่แสดงให้เห็นว่าโฟตอนถล่มภายใต้สภาวะแวดล้อม แต่จะเริ่มถล่มเมื่อมีแรงกระทำ สิ่งเหล่านี้กลายเป็นว่ามีความไวต่อแรงอย่างมาก
ตอนนี้พวกเขาตั้งเป้าที่จะใช้เซ็นเซอร์แรงเหล่านี้กับระบบสำคัญที่สามารถบรรลุผลกระทบที่สำคัญได้
“เมื่อเร็วๆ นี้ Ardem Patapoutian ผู้ได้รับรางวัลโนเบลปี 2021 ตอกย้ำความสำคัญของการพัฒนาเซ็นเซอร์แรงกดแบบใหม่ ซึ่งเน้นย้ำถึงความยากลำบากในการตรวจสอบกระบวนการที่มีความอ่อนไหวต่อสิ่งแวดล้อมภายในระบบหลายระดับ กล่าวคือ ในกระบวนการทางกายภาพและชีวภาพส่วนใหญ่” ดร.ชุคกล่าว
“เรารู้สึกตื่นเต้นที่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการค้นพบเหล่านี้ซึ่งเปลี่ยนกระบวนทัศน์ของการรับรู้ ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญของแรงและความกดดันในสภาพแวดล้อมในโลกแห่งความเป็นจริงที่ละเอียดอ่อนและไดนามิกซึ่งปัจจุบันไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน
ของทีมงานปรากฏในวารสารวันนี้ธรรมชาติ-
-
นาตาลี ฟาร์เดียน-เมลาเมดและคณะ- 2025. นาโนเซนเซอร์อินฟราเรดของพิโคนิวตันถึงแรงไมโครนิวตันธรรมชาติในสื่อ; ดอย: 10.1038/s41586-024-08221-2
บทความนี้เป็นเวอร์ชันหนึ่งของข่าวประชาสัมพันธ์ที่จัดทำโดยมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย
