新型納米級力傳感器問世，有望帶來多領(lǐng)域變革

來自哥倫比亞大學工程學院的研究團隊在《自然》雜志發(fā)表論文，介紹了他們發(fā)明的新型納米級力傳感器。

一、研究背景與現(xiàn)有傳感器局限

機械力在諸多物理和生物過程中至關(guān)重要，像機器人、細胞生物物理學、醫(yī)學乃至太空旅行等眾多領(lǐng)域，都需要高靈敏度、高分辨率的遠程機械信號測量。當前，納米級發(fā)光力傳感器測皮牛級力表現(xiàn)佳，大尺寸傳感器測微牛級力功效顯著，但在遠程探測力的量級方面存在較大空缺，且尚無單個非侵入式傳感器能滿足眾多系統(tǒng)所需的大動態(tài)范圍測量要求。

二、新型納米傳感器的特點與優(yōu)勢

1. 全光學且遠程可讀：這種發(fā)光納米晶體的 “全光學” 納米傳感器，受外力推或拉時，能改變發(fā)光強度或顏色，僅靠光探測就能實現(xiàn)遠程讀取，無需電線連接。

2. 高靈敏度與大動態(tài)范圍：由吉姆・舒克、娜塔莉・法爾迪安 - 梅拉梅德等人領(lǐng)導研發(fā)的該傳感器，力靈敏度比利用稀土離子實現(xiàn)光學響應(yīng)的現(xiàn)有納米粒子高出 100 倍，力的可操作范圍跨越四個數(shù)量級以上，比以往光學納米傳感器大 10 到 100 倍。

3. 多尺度功能與獨特工作方式：首次實現(xiàn)同一納米傳感器具備高分辨率、多尺度功能，可用于研究工程和生物系統(tǒng)（如胚胎、細胞、電池、納機電系統(tǒng)等）從亞細胞到整個系統(tǒng)層面的力。其利用紅外光工作，生物相容性好、穿透性強，能深入觀測各類系統(tǒng)并遠程監(jiān)測健康狀況，利于早期檢測故障，對多領(lǐng)域影響深遠。

三、利用光子雪崩效應(yīng)構(gòu)建及相關(guān)發(fā)現(xiàn)

該團隊利用納米晶體中的光子雪崩效應(yīng)構(gòu)建傳感器。光子雪崩納米粒子中，單個光子吸收會引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終發(fā)射多個光子。其光學活性成分是鑭系元素（稀土元素）的原子離子，此次研究用的是銩元素。研究人員發(fā)現(xiàn)光子雪崩過程對鑭系離子間距等因素敏感，用原子力顯微鏡探針輕觸光子雪崩納米粒子時，發(fā)現(xiàn)其雪崩行為受外力影響遠超預(yù)期，隨后據(jù)此設(shè)計出不同響應(yīng)外力的新型納米粒子，比如有的會隨外力改變發(fā)光顏色，有的常溫常壓下無雪崩現(xiàn)象、受力后才產(chǎn)生雪崩且對外力極其敏感。

四、合作與成果優(yōu)化

在研究中，哥倫比亞大學團隊與勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊緊密合作，伯克利實驗室團隊按反饋合成并表征數(shù)十個樣本，優(yōu)化粒子光學特性。

五、下一步計劃

團隊打算將力傳感器應(yīng)用到如發(fā)育胚胎這類重要系統(tǒng)中，產(chǎn)生更大影響。同時，希望在納米晶體合成時添加薄殼，使其具備自校準功能，讓每個納米晶體都能獨立發(fā)揮傳感器作用。正如舒克所言，新型力傳感器研發(fā)意義重大，這次的發(fā)現(xiàn)有望改變傳感范式，助力人們探測當下技術(shù)難以觸及的現(xiàn)實環(huán)境中力和壓力的關(guān)鍵變化。