新納米力傳感器

機械力是許多物理和生物過程的基本特征。從機器人技術到細胞生物物理學、醫學，甚至太空探索，各個領域都需要對機械信號進行遠程測量。

現有的納米級發光力傳感器在探測皮牛級（1皮牛 = 1×10?12牛）的力方面表現出色，而更大的傳感器則擅長探測微牛級（1微牛 = 1×10??牛）的力。然而，要實現對深埋于地表之下或界面之中的力的遠程探測，仍然極具挑戰性。

近期發表在《自然》上的一項研究帶來了突破性進展。一個研究團隊開發了一種新型的納米力傳感器：這些傳感器由發光納米晶體組成，當受到機械推拉時，其發光強度或顏色會發生變化。這種“全光學”的傳感器僅使用光進行測量，從而實現了完全的遠程讀出，無需任何物理連接。

光子雪崩效應

發光分子或納米顆粒發射的光可以用于遠程探測，前提是其發射光譜可以對某些變化（如溫度、壓力或化學環境的改變）作出響應。例如，摻雜有發光鑭系元素離子的納米晶體是一種極佳的光學傳感器，因為其光譜中光強的相對比例會隨溫度或化學環境的變化而改變。實現這一效果的方法之一是所謂的“光子雪崩效應”。

光子雪崩效應是指在光學激發的晶體中，一個單光子的吸收引發連鎖反應，最終導致大量光子的發射。由于這一過程高度非線性且極其敏感，因此被形象地稱為“雪崩”。

在最新研究中，研究團隊使用摻雜鑭系元素離子（如銩，Tm）的NaYF?納米晶體進行了實驗。他們發現，這種光子雪崩效應對多種因素異常敏感，包括鑭系離子之間的間距以及外部施加的機械力。當他們用原子力顯微鏡（AFM）的尖端對這些納米晶體施加微弱敲擊時，觀察到這些晶體的雪崩效應受到力的極大影響——這種影響遠遠超過了研究人員的預期。?

這一現象最初令研究人員感到意外。他們懷這些疑納米顆粒可能對力具有敏感性，于是進行了多次控制實驗。在敲擊顆粒時，他們測量了光子發射，最終證實了其極高的力敏感性。

進一步研究表明，光子雪崩效應可以通過不同的設計實現多樣化的力響應。例如，一種設計使納米顆粒在受力時改變發光顏色；另一種設計則讓納米顆粒在環境條件下不發生光子雪崩，但在施加力后立即觸發雪崩反應。

基于這一效應，研究團隊制造出了新型的納米力傳感器：能夠測量之前無法探測的從皮牛到微牛范圍內的力，并實現納米級空間分辨率。

廣闊前景

這些新型傳感器首次實現了單一納米力傳感器的高分辨率和多尺度功能，使其能夠連續覆蓋多種力變化的研究，無需依賴多種類別的傳感器。更重要的是，這些傳感器采用紅外光操作，具備卓越的生物相容性和深度穿透能力，使其在復雜的技術或生理系統中實現非接觸式精準探測成為可能。

正如2021年諾貝爾獎得主Ardem Patapoutian所指出的那樣，多尺度系統中環境敏感過程的探測是一個長期存在的難題。新研究所帶來的突破，將為科學界帶來全新的范式。這些傳感器將使科學家能夠動態、精準地繪制現實世界中力和壓力的關鍵變化，突破現有技術的限制，助力解決物理和生物系統中的諸多核心問題。

接下來，研究團隊計劃將這些力傳感器應用于諸如發育中胚胎等重要系統。此外，他們還計劃為傳感器設計加入自校準功能，使每個納米晶體能夠獨立運作，從而進一步提升其實用性和適應性。

#創作團隊：

撰文：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

https://www.engineering.columbia.edu/about/news/tour-de-force-columbia-engineers-discover-new-all-optical-nanoscale-sensors-force

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04103-9

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08221-2

#圖片來源：

封面圖&首圖：Dr. Andrew Mueller