科學家研發新型奈米力感測器，有望革新多領域技術

新研發的全光學奈米感測器是發光奈米晶體，在受到推拉時，其發光強度和（或）顏色會發生改變。此感測器僅需用光探測，可完全遙控讀取資料，無需線路或連線裝置。與現有利用稀土離子產生光學反應的奈米粒子相比，它的力感測靈敏度提高了100倍，力的操作範圍跨越四個數量級以上，比以往任何光學奈米感測器的範圍都要大得多（大10到100倍）。

單個摻鑭系元素奈米晶體內部原子排列示意圖；每個鑭系離子都能發光。圖片來源：Andrew Mueller / 哥倫比亞工程學院。

哥倫比亞大學研究員吉姆·舒克博士表示：「我們預期，這項發現將徹底革新光學力感測器所能達到的靈敏度和動態範圍，並將立即對從機器人技術到細胞生物物理學、醫學以及太空旅行等領域的技術產生重大影響。」

新型奈米感測器首次利用同一個奈米感測器實現了高解析度、多尺度功能。

這一點至關重要，意味著只需使用這一款奈米感測器，而非一組不同型別的感測器，就能夠持續研究工程和生物系統中從亞細胞層面到整個系統層面的力。例如，發育中的胚胎、遷移的細胞、電池或整合奈米電機系統（NEMS）。NEMS是一種極為靈敏的奈米電機系統，其中奈米尺度結構的物理運動由電子電路控制，反之亦然。

哥倫比亞大學博士後研究員娜塔莉·法爾迪安 - 梅拉梅德博士稱：「除了無與倫比的多尺度感測能力之外，這些力感測器的獨特之處在於，它們利用無害、生物相容性好且穿透性強的紅外光運作。」

「這使得人們可以深入窺探各種技術和生理系統，並從遠處監測它們的健康狀況。」

「這些感測器能實現對這些系統故障或失效的早期檢測，將對從人類健康到能源和可持續性等諸多領域產生深遠影響。」

研究人員利用奈米晶體內的光子雪崩效應製造出了這些奈米感測器。

在光子雪崩奈米粒子中，材料內部吸收一個光子會引發一系列連鎖反應，最終導致發射出許多光子。也就是說，吸收一個光子，發射出多個光子。

研究中奈米晶體的光活性成分是元素週期表中鑭系元素的原子離子，也稱為稀土元素，它們被摻雜到奈米晶體中；在這項研究中，科學家使用的是銩元素。

他們發現，光子雪崩過程對多種因素極為敏感，其中包括鑭系離子之間的間距。

基於此，研究人員用原子力顯微鏡（AFM）探針輕觸部分光子雪崩奈米粒子（ANP），結果發現，這些輕微的力對雪崩行為產生了極大的影響，遠超過他們的預期。

舒克博士說：「我們幾乎是偶然間發現了這一點。」

「我們懷疑這些奈米粒子對力敏感，所以在輕觸它們時測量了它們的發光情況。」

「結果它們的敏感度比預期的要高得多！」

「一開始我們其實都不敢相信，還以為探針產生了其他不同的影響。」

在瞭解到ANP的高敏感度後，研究人員接著設計了能以不同方式對力做出反應的新型奈米粒子。

在一種新設計中，奈米粒子會根據所施加的力改變其發光顏色。

在另一種設計中，研究人員製造出在環境條件下不會呈現光子雪崩現象，但在施加力時會開始雪崩的奈米粒子，結果證明，它們對力極為敏感。

目前，研究人員旨在將這些力感測器應用於重要系統，以產生重大影響。

舒克博士表示：「2021年諾貝爾獎得主阿爾德姆·帕塔普蒂安近期強調了研發新型力感測器的重要性。他指出，在多尺度系統中探測對環境敏感的過程存在難度，也就是說，在大多數物理和生物過程中都存在這樣的難題。」

「我們很高興能參與到這些改變感測模式的發現中，使我們能夠靈敏且動態地繪製出現實環境中力和壓力的關鍵變化，而這些變化是目前現有技術無法實現的。」

該團隊的研究成果今日發表於《自然》期刊。

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娜塔莉·法爾迪安 - 梅拉梅德等人，2025年。皮牛頓到微牛頓力的紅外奈米感測器。《自然》，待發表；doi: 10.1038/s41586-024-08221-2

本文是哥倫比亞大學釋出的新聞稿版本。