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新型納米級(jí)力傳感器問世，有望帶來多領(lǐng)域變革

來自哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表論文，介紹了他們發(fā)明的新型納米級(jí)力傳感器。

一、研究背景與現(xiàn)有傳感器局限

機(jī)械力在諸多物理和生物過程中至關(guān)重要，像機(jī)器人、細(xì)胞生物物理學(xué)、醫(yī)學(xué)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(yuǎn)程機(jī)械信號(hào)測(cè)量。當(dāng)前，納米級(jí)發(fā)光力傳感器測(cè)皮牛級(jí)力表現(xiàn)佳，大尺寸傳感器測(cè)微牛級(jí)力功效顯著，但在遠(yuǎn)程探測(cè)力的量級(jí)方面存在較大空缺，且尚無單個(gè)非侵入式傳感器能滿足眾多系統(tǒng)所需的大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量要求。

二、新型納米傳感器的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

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

2. 高靈敏度與大動(dòng)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(dǎo)研發(fā)的該傳感器，力靈敏度比利用稀土離子實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(gè)數(shù)量級(jí)以上，比以往光學(xué)納米傳感器大 10 到 100 倍。

3. 多尺度功能與獨(dú)特工作方式：首次實(shí)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(xì)胞、電池、納機(jī)電系統(tǒng)等）從亞細(xì)胞到整個(gè)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(qiáng)，能深入觀測(cè)各類系統(tǒng)并遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)健康狀況，利于早期檢測(cè)故障，對(duì)多領(lǐng)域影響深遠(yuǎn)。

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

該團(tuán)隊(duì)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(gè)光子吸收會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終發(fā)射多個(gè)光子。其光學(xué)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(duì)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(shí)，發(fā)現(xiàn)其雪崩行為受外力影響遠(yuǎn)超預(yù)期，隨后據(jù)此設(shè)計(jì)出不同響應(yīng)外力的新型納米粒子，比如有的會(huì)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(duì)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(xué)團(tuán)隊(duì)與勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)緊密合作，伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)按反饋合成并表征數(shù)十個(gè)樣本，優(yōu)化粒子光學(xué)特性。

五、下一步計(jì)劃

團(tuán)隊(duì)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(shí)，希望在納米晶體合成時(shí)添加薄殼，使其具備自校準(zhǔn)功能，讓每個(gè)納米晶體都能獨(dú)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(cè)當(dāng)下技術(shù)難以觸及的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中力和壓力的關(guān)鍵變化。