Nature：新的“全光学”纳米级力传感器

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“全光学”纳米传感器仅用光进行探测，因此可以实现完全的远程读出——不需要电线或连接。

　　

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，都需要具有高灵敏度和空间分辨率的机械信号的远程测量。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功能强大。然而，在可以从地下或界面位置远程探测的力的大小方面仍然存在很大的差距，并且没有一个单独的、非侵入式的传感器能够在了解许多系统所需的大动态范围内进行测量。

新型、高响应的纳米级力传感器

在《自然》杂志今天发表的一篇论文中，由哥伦比亚大学工程学院的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“全光学”纳米传感器仅用光进行探测，因此可以实现完全的远程读出——不需要电线或连接。

由机械工程副教授Jim Schuck和他团队的博士后学者Natalie Fardian-Melamed领导的研究人员，与劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的Cohen和Chan团队一起，开发出了纳米传感器，这种纳米传感器在类似的纳米探针中获得了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，其工作范围超过4个数量级，比以往任何光学纳米传感器都要大得多——10-100倍。

Schuck说：“我们希望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。”

新的纳米传感器可以在以前无法进入的环境中工作

新型纳米传感器首次在同一种纳米传感器上实现了高分辨率、多尺度的功能。这是很重要的，因为这意味着仅仅是这种纳米传感器，而不是一套不同类别的传感器，可以用于连续的力研究，从亚细胞到整个系统水平的工程和生物系统，如发育中的胚胎，迁移细胞，电池，或集成的NEMS，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。

“除了它们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的、生物相容的、深穿透的红外光，”Fardian-Melamed说。“这使得人们可以深入了解各种技术和生理系统，并从远处监测他们的健康状况。”这些传感器能够早期发现这些系统的故障或故障，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

该团队通过利用纳米晶体内的光子雪崩效应来制造这些纳米传感器。在光子雪崩纳米粒子中，材料中单个光子的吸收会引发一系列事件的连锁反应，最终导致许多光子的发射，这种纳米粒子是由哥伦比亚工程学院的舒克小组首先发现的。所以：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，舒克喜欢用“急剧非线性”来形容，借用了“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的原子离子，也被称为稀土元素，它们被掺杂到纳米晶体中。在这篇论文中，研究小组使用了铥。

团队调查了一个令人惊讶的观察结果

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）尖端敲击了一些光子雪崩纳米粒子（ANPs），发现雪崩行为受到这些温和力的极大影响——比他们预期的要大得多。

“我们几乎是偶然发现了这一点，我们怀疑这些纳米粒子对力很敏感，所以我们在敲击它们时测量了它们的辐射。结果他们比预期的要敏感得多！一开始我们并不相信；我们认为小费可能会产生不同的效果。但后来娜塔莉做了所有的控制测量，发现这种反应都是由于这种极端的力敏感性。”

了解了anp的敏感性后，研究小组设计了新的纳米颗粒，可以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——这些纳米粒子对力非常敏感。

与劳伦斯伯克利国家实验室的合作成果

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

接下来是什么

该团队现在的目标是将这些力传感器应用到一个重要的系统中，在那里它们可以产生重大影响，比如发育中的胚胎，就像哥伦比亚大学机械工程教授凯伦·卡萨（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加入自校准功能，这样每个纳米晶体就可以作为一个独立的传感器。舒克认为，在纳米晶体合成过程中，通过添加另一层薄壳，可以很容易地做到这一点。“最近，2021年诺贝尔奖获得者Ardem Patapoutian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（即大多数物理和生物过程）中探测环境敏感过程的困难。（Nature Reviews Mol. Cell Biol. 18,771(2017)），”Schuck指出。“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量和压力的关键变化，这是目前技术无法达到的。