哥伦比亚大学工程与应用科学学院的研究人员开发了一种革命性的光子雪崩纳米传感器，有望彻底改变从机器人到太空旅行的技术。这些传感器可以以前所未有的灵敏度和范围测量机械力，使其能够探测以前被认为无法触及的环境和过程。
光子雪崩纳米传感器
机械力在许多物理和生物过程中起着关键作用。远程高灵敏度和精确空间分辨率的机械力测量对于机器人技术、细胞生物物理学、医学甚至太空探索等应用至关重要。虽然纳米尺度发光力传感器擅长检测微小的皮牛顿力，但较大的传感器则适用于测量微牛顿力。
然而，在可测力的范围内仍存在显著差距，尤其是在亚表面或界面位置。目前，尚不存在单一的非侵入式传感器能够在宽动态范围内操作，以充分理解许多复杂系统。
用新纳米传感器革新力传感
在1月1日发表于《自然》杂志的一篇论文中，由哥伦比亚大学工程学院研究人员及其合作者组成的团队报告称，他们发明了一种新的纳米级力传感器。这些发光纳米晶体在受到推拉时会改变强度和/或颜色。这些“全光学”纳米传感器仅通过光进行探测，因此允许完全远程读取——无需电线或连接。
该研究由机械工程副教授吉姆·舒克（Jim Schuck）和博士后学者娜塔莉·法迪安-梅拉梅德（Natalie Fardian-Melamed）领导，与劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科恩（Cohen）和陈（Chan）小组合作开发。这些纳米传感器实现了有史以来同类纳米探针中最敏感的力响应和最大的动态范围。它们比现有利用稀土离子光学响应的纳米颗粒的力灵敏度高出100倍，工作范围跨越四个数量级的力，比任何先前的光学纳米传感器大10-100倍。
“我们预计这一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和医学再到太空旅行等领域的技术，”舒克说。
扩展传感器功能
新型纳米传感器首次在同一纳米传感器上实现了高分辨率、多尺度功能。这一点非常重要，因为它意味着只需这种纳米传感器，而不是不同类别的传感器套件，就可以用于从亚细胞到整个系统级别的连续力研究，包括发育中的胚胎、迁移细胞、电池或集成纳米机电系统（NEMS），其中纳米级结构的物理运动由电子电路控制，反之亦然。
“这些力传感器的独特之处——除了其无与伦比的多尺度传感能力——在于它们使用无害、生物相容且深度穿透的红外光运行，”法迪安-梅拉梅德说。“这使得人们可以深入窥视各种技术和生理系统，并从远处监测其健康状况。这些传感器能够早期检测这些系统的故障或失效，将在从人类健康到能源和可持续性等领域产生深远影响。”
利用光子雪崩增强传感
该团队通过利用纳米晶体内的光子雪崩效应构建了这些纳米传感器。光子雪崩纳米粒子最初由舒克的团队在哥伦比亚工程学院发现，在这些纳米粒子中，材料内吸收单个光子会引发一系列事件，最终导致发射多个光子。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进程，舒克喜欢称之为“急剧非线性”，以强调“雪崩”的概念。
该研究中的纳米晶体的光学活性成分是来自元素周期表中镧系元素行的原子离子，也称为稀土元素，这些离子掺杂到纳米晶体中。在这篇论文中，研究团队使用了铥（thulium）。
揭示意外的灵敏度
研究人员发现，光子雪崩过程对几件事非常敏感，包括镧系离子之间的间距。基于此，他们用原子力显微镜（AFM）尖端轻敲一些光子雪崩纳米粒子（ANPs），并发现这种温和的力对雪崩行为产生了巨大影响——远超他们的预期。
“我们几乎是在偶然间发现了这一点，”舒克说。“我们怀疑这些纳米粒子对力敏感，所以在轻敲它们时测量了其发射。结果它们比预期的要敏感得多！我们一开始不相信，以为尖端可能有其他影响。但随后娜塔莉进行了所有对照测量，发现这种响应完全是由于这种极端的力敏感性。”
了解了ANPs的敏感性后，团队设计了新的纳米粒子，使其以不同方式响应力。在一个新设计中，纳米粒子根据施加的力改变其发光的颜色。在另一个设计中，他们在环境条件下不会表现出光子雪崩，但在施加力时开始雪崩——这些纳米粒子对力极其敏感。
纳米传感器应用的未来方向
在这项研究中，舒克、法迪安-梅拉梅德和其他舒克纳米光学团队成员与劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂（Molecular Foundry）的埃默里·陈（Emory Chan）和布鲁斯·科恩（Bruce Cohen）领导的研究团队密切合作。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ANPs，合成了并表征了数十个样品以理解和优化粒子的光学特性。
团队现在计划将这些力传感器应用于重要的系统，如卡伦·卡斯扎（Karen Kasza）教授研究的发育中的胚胎。在传感器设计方面，研究人员希望将自校准功能添加到纳米晶体中，使每个纳米晶体都能作为独立传感器运行。舒克认为，这可以通过在纳米晶体合成过程中添加另一层薄壳轻松实现。
“最近，2021年诺贝尔奖得主阿尔登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）强调了探测多尺度系统中环境敏感过程的困难——即大多数物理和生物过程，”舒克指出。“我们很高兴能参与这些发现，这些发现改变了传感范式，使人们能够灵敏且动态地映射目前技术无法触及的实际环境中关键力和压力的变化。”
参考文献：“皮牛顿到微牛顿力的红外纳米传感器”由娜塔莉·法迪安-梅拉梅德（Natalie Fardian-Melamed）、阿尔提奥姆·斯克里普卡（Artiom Skripka）、贝内迪克特·乌尔普龙（Benedikt Ursprung）、李昌焕（Changhwan Lee）、托马斯·P·达尔林顿（Thomas P. Darlington）、艾耶莱特·泰特尔鲍姆（Ayelet Teitelboim）、齐晓（Xiao Qi）、王茂吉（Maoji Wang）、乔丹·M·格顿（Jordan M. Gerton）、布鲁斯·E·科恩（Bruce E. Cohen）、埃默里·M·陈（Emory M. Chan）和P. 詹姆斯·舒克（P. James Schuck），2025年1月1日，《自然》杂志。DOI: 10.1038/s41586-024-08221-2
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