Nieuwe ‘volledig optische’ sensoren op nanoschaal die toegang geven tot voorheen onbereikbare omgevingen

Mechanische kracht is een essentieel kenmerk voor veel fysieke en biologische processen. Het op afstand meten van mechanische signalen met een hoge gevoeligheid en ruimtelijke resolutie is nodig voor een breed scala aan toepassingen, van robotica tot cellulaire biofysica en geneeskunde en zelfs tot ruimtevaart. Lichtgevende krachtsensoren op nanoschaal blinken uit in het meten van piconewton-krachten, terwijl grotere sensoren krachtig zijn gebleken in het onderzoeken van micronewton-krachten.

Er blijven echter grote gaten bestaan ​​in de krachtgroottes die op afstand kunnen worden gemeten vanaf ondergrondse of grensvlaklocaties, en geen enkele individuele, niet-invasieve sensor heeft tot nu toe metingen kunnen doen over het grote dynamische bereik dat nodig is om veel systemen te begrijpen.

Nieuwe, zeer responsieve krachtsensoren op nanoschaal

In een papier vandaag gepubliceerd in Natuurrapporteert een team onder leiding van onderzoekers en medewerkers van Columbia Engineering dat ze nieuwe krachtsensoren op nanoschaal hebben uitgevonden. Het zijn lichtgevende nanokristallen die van intensiteit en/of kleur kunnen veranderen als je erop drukt of trekt. Deze “volledig optische” nanosensoren worden alleen met licht gesondeerd en maken daarom uitlezingen op afstand mogelijk – er zijn geen draden of verbindingen nodig.

De onderzoekers, onder leiding van Jim Schuck, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en Natalie Fardian-Melamed, een postdoctoraal onderzoeker in zijn groep, ontwikkelden samen met de Cohen- en Chan-groepen van het Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) nanosensoren die beide hebben bereikt de meest gevoelige krachtrespons en het grootste dynamische bereik ooit gerealiseerd in vergelijkbare nanosondes.

Ze hebben een 100 keer betere krachtgevoeligheid dan de bestaande nanodeeltjes die zeldzame aardionen gebruiken voor hun optische respons, en een operationeel bereik dat meer dan vier ordes van grootte beslaat in kracht, een veel groter bereik – 10 tot 100 keer groter – dan welk ander soort nanodeeltjes dan ook. vorige optische nanosensor.

“We verwachten dat onze ontdekking een revolutie zal teweegbrengen in de gevoeligheden en het dynamische bereik dat haalbaar is met optische krachtsensoren, en onmiddellijk technologieën zal ontwrichten op gebieden van robotica tot cellulaire biofysica en geneeskunde tot ruimtevaart”, zegt Schuck.

Nieuwe nanosensoren kunnen werken in voorheen ontoegankelijke omgevingen

De nieuwe nanosensoren bereiken voor het eerst een multischaalfunctie met hoge resolutie met dezelfde nanosensor. Dit is belangrijk omdat het betekent dat alleen deze nanosensor, in plaats van een reeks verschillende klassen sensoren, kan worden gebruikt voor de voortdurende studie van krachten, van het subcellulaire tot het hele systeemniveau in kunstmatige en biologische systemen, zoals zich ontwikkelende embryo’s. , migrerende cellen, batterijen of geïntegreerde NEMS, zeer gevoelige nano-elektromechanische systemen waarin de fysieke beweging van een structuur op nanometerschaal wordt bestuurd door een elektronisch circuit, of omgekeerd.

“Wat deze krachtsensoren uniek maakt, afgezien van hun ongeëvenaarde detectiemogelijkheden op meerdere schaalniveaus, is dat ze werken met goedaardig, biocompatibel en diep doordringend infrarood licht”, zegt Fardian-Melamed. “Hierdoor kan men diep in verschillende technologische en fysiologische systemen kijken en hun gezondheid op afstand monitoren. Door vroegtijdige detectie van storingen of falen in deze systemen mogelijk te maken, zullen deze sensoren een diepgaande impact hebben op gebieden variërend van menselijke gezondheid tot energie en duurzaamheid .”

Het foton-lawine-effect gebruiken om de nanosensoren te bouwen

Het team kon deze nanosensoren bouwen door gebruik te maken van het fotonenlawine-effect in nanokristallen. In foton-lawine nanodeeltjes, die voor het eerst werden ontdekt door Schuck’In zijn groep bij Columbia Engineering veroorzaakt de absorptie van een enkel foton in een materiaal een kettingreactie van gebeurtenissen die uiteindelijk leidt tot de emissie van vele fotonen.

Dus één foton wordt geabsorbeerd, er worden veel fotonen uitgezonden. Het is een uiterst niet-lineair en vluchtig proces dat Schuck graag omschrijft als ‘steil niet-lineair’, waarbij het woord ‘lawine’ wordt gebruikt.

De optisch actieve componenten binnen de studie’Nanokristallen zijn atomaire ionen uit de lanthanide-rij van elementen in het periodiek systeem, ook wel zeldzame aardmetalen genoemd, die in het nanokristal zijn gedoteerd. Voor dit artikel gebruikte het team thulium.

De onderzoekers ontdekten dat het fotonenlawineproces heel erg gevoelig is voor verschillende dingen, waaronder de afstand tussen lanthanide-ionen. Met dit in gedachten tikten ze op enkele van hun foton-lawine-nanodeeltjes (ANP’s) met een atomic force microscopie (AFM)-punt, en ontdekten dat het lawinegedrag enorm werd beïnvloed door deze zachte krachten – veel meer dan ze ooit hadden verwacht.

“We ontdekten dit bijna per ongeluk”, zegt Schuck. ‘We vermoedden dat deze nanodeeltjes gevoelig waren voor kracht, dus hebben we hun emissie gemeten terwijl we erop tikten. En ze bleken veel gevoeliger dan verwacht!’Geloof het eerst niet; we dachten dat de tip misschien een ander effect zou hebben. Maar toen deed Natalie alle controlemetingen en ontdekte dat de respons allemaal te danken was aan deze extreme krachtgevoeligheid.”

Omdat ze wisten hoe gevoelig de ANP’s waren, ontwierp het team vervolgens nieuwe nanodeeltjes die op verschillende manieren op krachten zouden reageren. In een nieuw ontwerp verandert het nanodeeltje de kleur van zijn luminescentie afhankelijk van de uitgeoefende kracht. In een ander ontwerp maakten ze nanodeeltjes die onder omgevingsomstandigheden geen fotonlawine vertonen, maar wel beginnen te lawine als er kracht op wordt uitgeoefend. Deze zijn extreem gevoelig gebleken voor kracht.

Voor deze studie werkten Schuck, Fardian-Melamed en andere leden van het Schuck-nano-optica-team nauw samen met een team van onderzoekers van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab), onder leiding van Emory Chan en Bruce Cohen. Het laboratoriumteam van Berkeley ontwikkelde de aangepaste ANP’s op basis van de feedback van Columbia, waarbij tientallen monsters werden gesynthetiseerd en gekarakteriseerd om de deeltjes te begrijpen en te optimaliseren’ optische eigenschappen.

Wat’Het is de volgende

Het team wil deze krachtsensoren nu toepassen op een belangrijk systeem waar ze een aanzienlijke impact kunnen hebben, zoals een zich ontwikkelend embryo, zoals bestudeerd door Columbia.’s Professor werktuigbouwkunde Karen Kasza. Op het gebied van sensorontwerp hopen de onderzoekers zelfkalibrerende functionaliteit aan de nanokristallen toe te voegen, zodat elk nanokristal als een op zichzelf staande sensor kan functioneren. Schuck denkt dat dit eenvoudig kan worden gedaan door tijdens de synthese van nanokristallen nog een dunne schil toe te voegen.

“Het belang van het ontwikkelen van nieuwe krachtsensoren werd onlangs onderstreept door Ardem Patapoutian, de Nobelprijswinnaar van 2021, die benadrukte de moeilijkheid bij het onderzoeken van milieugevoelige processen binnen systemen op meerdere schaalniveaus – dat wil zeggen in de meeste fysieke en biologische processen”, merkt Schuck op.

“We zijn verheugd deel uit te maken van deze ontdekkingen die het paradigma van waarnemen transformeren, waardoor iemand op een gevoelige en dynamische manier kritische veranderingen in krachten en druk in reële omgevingen in kaart kan brengen die momenteel onbereikbaar zijn met de huidige tijd.”‘s-technologieën.”