新型“全光”纳米级传感器，可进入以前无法到达的环境

机械力是许多物理和生物过程的基本特征。从机器人到细胞生物物理学和医学，甚至到太空旅行，广泛的应用都需要高灵敏度和空间分辨率的机械信号远程测量。纳米级发光力传感器擅长测量皮牛顿力，而更大的传感器已被证明在探测微牛顿力方面非常强大

然而，从地下或界面位置远程探测的力值仍然存在很大差距，而且还没有一个单独的非侵入式传感器能够在理解许多系统所需的大动态范围内进行测量

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，由哥伦比亚工程研究人员和合作者领导的一个团队报告说，他们发明了新的纳米级力传感器。它们是发光的纳米晶体，当你推或拉它们时，它们可以改变强度和/或颜色。这些“全光”纳米传感器仅用光进行探测，因此允许完全远程读取——不需要电线或连接

由机械工程副教授Jim Schuck和他的小组的博士后学者Natalie Fardian Melamed以及劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的Cohen和Chan小组领导的研究人员开发了纳米传感器，这些传感器在类似的纳米探针中实现了迄今为止最灵敏的力响应和最大的动态范围

它们的力灵敏度比现有的利用稀土离子进行光学响应的纳米粒子高100倍，工作范围超过四个数量级，比任何以前的光学纳米传感器都大10-100倍

Schuck说：“我们预计我们的发现将彻底改变光学力传感器的灵敏度和动态范围，并将立即颠覆从机器人到细胞生物物理学、医学到太空旅行等领域的技术。”

新型纳米传感器可以在以前无法进入的环境中运行

新型纳米传感器首次使用相同的纳米传感器实现了高分辨率、多尺度功能。这一点很重要，因为这意味着，在工程和生物系统中，从亚细胞到整个系统层面，从发育中的胚胎、迁移的细胞、电池或集成的NEMS，只有这种纳米传感器，而不是一套不同类别的传感器，可以用于连续研究力，这是非常敏感的纳米机电系统，其中纳米级结构的物理运动由电子电路控制，反之亦然

Fardian Melamed说：“除了无与伦比的多尺度传感能力外，这些力传感器的独特之处在于它们使用良性、生物相容性和深穿透性的红外光进行操作。”。“这使人们能够深入了解各种技术和生理系统，并从远处监测它们的健康状况。这些传感器能够及早发现这些系统中的故障或失效，将对从人类健康到能源和可持续性等领域产生深远的影响。”

利用光子雪崩效应构建纳米传感器

该团队能够利用纳米晶体中的光子雪崩效应来构建这些纳米传感器。在哥伦比亚工程公司Schuck小组首次发现的光子雪崩纳米粒子中，材料中单个光子的吸收引发了一系列事件的连锁反应，最终导致许多光子的发射

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因此，一个光子被吸收，许多光子被发射。这是一个极其非线性和不稳定的过程，Schuck喜欢将其描述为“急剧非线性”，玩“雪崩”这个词。

该研究纳米晶体中的光学活性成分是元素周期表中镧系元素行的原子离子，也称为稀土元素，它们被掺杂到纳米晶体中。在这篇论文中，该团队使用了铥

研究人员发现，光子雪崩过程对几个因素非常非常敏感，包括镧系离子之间的间距。考虑到这一点，他们用原子力显微镜（AFM）尖端利用了他们的一些光子雪崩纳米粒子（ANP），发现雪崩行为受到了这些温和力的极大影响，远远超过了他们的预期

舒克说：“我们几乎是偶然发现的。”。“我们怀疑这些纳米粒子对力很敏感，所以我们在敲击它们的同时测量了它们的发射。事实证明，它们比预期的要敏感得多！我们起初实际上并不相信；我们认为尖端可能会产生不同的效果。但后来娜塔莉做了所有的对照测量，发现这种反应都是由于这种极端的力敏感性。”

了解ANP的敏感性后，研究小组设计了新的纳米粒子，以不同的方式对力做出反应。在一种新的设计中，纳米粒子根据施加的力改变其发光的颜色。在另一种设计中，他们制造的纳米粒子在环境条件下不会表现出光子雪崩，但在施加力时确实会开始雪崩——事实证明，这些纳米粒子对力非常敏感

在这项研究中，Schuck、Fardian Melamed和Schuck纳米光学团队的其他成员与由Emory Chan和Bruce Cohen领导的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）分子铸造厂的一组研究人员密切合作。伯克利实验室团队根据哥伦比亚大学的反馈开发了定制的ANP，合成并表征了数十个样品，以了解和优化粒子的光学特性

下一步是什么？该团队现在的目标是将这些力传感器应用于一个重要的系统，在那里它们可以产生重大影响，例如发育中的胚胎，就像哥伦比亚大学机械工程教授Karen Kasza所研究的那样。在传感器设计方面，研究人员希望在纳米晶体中添加自校准功能，这样每个纳米晶体都可以作为一个独立的传感器。Schuck认为，在纳米晶体合成过程中添加另一个薄壳可以很容易地做到这一点

Schuck指出：“2021年诺贝尔奖获得者Ardem Pataputian最近强调了开发新型力传感器的重要性，他强调了在多尺度系统中探测环境敏感过程的困难，也就是说，在大多数物理和生物过程中。”

“我们很高兴能成为这些改变传感范式的发现的一部分，使人们能够灵敏地、动态地绘制现实世界环境中力和压力的关键变化，而这些变化目前是当今技术无法实现的。”