Cercetătorii de la Columbia Engineering, Statele Unite, au dezvoltat nanosenzorii cu avalanșă de fotoni, promițând să revoluționeze tehnologii cum sunt robotica, medicina și călătoriile spațiale. Acești senzori pot măsura forțele mecanice cu o sensibilitate fără precedent, fiind capabili să monitorizeze medii și procese considerate anterior inaccesibile.
Nanosenzorii cu avalanșă de fotoni
Forțele mecanice joacă un rol critic în numeroase procese fizice și biologice. Măsurarea de la distanță a acestor forțe, cu sensibilitate ridicată și rezoluție spațială precisă, este vitală pentru aplicații precum robotica, biofizica celulară, medicina și chiar explorarea spațiului. În timp ce senzorii nanometrici cu luminescență sunt potriviți pentru detectarea forțelor de ordinul piconewtonilor, senzorii mai mari sunt eficienți la măsurarea forțelor de ordinul micronewtonilor.
Cu toate acestea, încă există numeroase lipsuri în măsurarea de la distanță a diferitelor tipuri de forțe, în specia la nivel de subsuprafață și de interfață. În prezent, nu există un singur senzor non-invaziv care să poată funcționa în intervalul dinamic larg necesar pentru a înțelege pe deplin multe sisteme complexe.
Măsurarea forțelor cu noi nanosenzori
Într-un articol publicat în revista Nature, cercetătorii de la Columbia Engineering au raportat că au inventat noi nanosenzori pentru măsurarea forțelor. Aceștia sunt nanocristale luminescente care își pot modifica intensitatea și/sau culoarea atunci când asupra lor acționează forțe de împingere sau de tragere. Acești nanosenzori optici sunt sondați doar cu lumină și, prin urmare, permit citirea completă de la distanță – nu sunt necesare fire sau conexiuni.
Cercetătorii americani au dezvoltat nanosenzori care au atins atât cel mai sensibil răspuns la forțe, cât și cel mai mare interval dinamic realizat vreodată de nanosonde similare. Ei au o sensibilitate la forțe de 100 de ori mai bună decât nanoparticulele existente care utilizează ioni de pământuri rare pentru răspunsul lor optic și o gamă operațională care se întinde pe mai mult de patru ordine de mărime în forță, o gamă mult mai mare – de 10-100 de ori mai mare – decât oricare nanosenzor optic anterior.
Extinderea capacității senzorilor
Noii nanosenzori realizează pentru prima dată funcții de înaltă rezoluție multiscalare cu același nanosenzor. Acest lucru este important, deoarece înseamnă că doar un singur senzor poate fi utilizat pentru studiul continuu al forțelor, de la nivelul subcelular până la nivelul întregului sistem, cum ar fi cazul embrionilor în curs de dezvoltare, al migrației celulelor, al bateriilor sau al circuitelor integrate NEMS, sisteme nanoelectromecanice foarte sensibile în care mișcarea fizică a unei structuri la scară nanometrică este controlată de un circuit electronic sau vice versa.
Unicitatea acestor senzori este faptul că ei operează cu lumină infraroși, o lumină benignă, biocompatibilă și cu rată de penetrare ridicată. Acest lucru permite sondarea în adâncime a oricărui sistem fiziologic sau tehnologic și monitorizarea sa de la distanță.
Avalanșa de fotoni din nanocristale
Echipa de cercetători a putut construi acești nanosenzori prin exploatarea efectului de avalanșa de fotoni de la nivelul nanocristalelor. Acest efect face ca absorbția unui singur foton în material să declanșeze o reacție în lanț ce duce în final la emiterea a numeroși fotoni; deci un este absorbit un foton și sunt emiși mai mulți fotoni.
Componentele optic active din nanocrostalele studiate sunt ionii elementelor lantanide din tabelul periodic al elementelor, cunoscute și sub denumirea de pământuri rare, care sunt introduse în nanocristale (nanocristalele sunt dopate cu ioni de lantanide). În acest caz a fost utilizat tuliul, un lantanid cu numărul atomic 69.
Sensibilități neașteptate
Oamenii de știință au observat de efectul de avalanșă de fotoni este extrem de sensibil la anumiți factori, inclusiv la spațiile dintre ionii de lantanide. Având acest lucru în minte, ei au sondat unele dintre nanoparticulele avalanșei de fotoni cu ajutorul unui microscop cu forțe atomice și au constat că efectul de avalanșă a fost influențat puternic de aceste forțe blânde – mult mai mult decât era de așteptat.
Cunoscând cât de sensibile sunt nanoparticulele efectului de avalanșă de fotoni, cercetătorii au proiectat nanoparticule noi care să răspundă la forțe în mod diferit. Într-unul din cazuri, nanoparticulele își modificau culoarea luminescenței în funcție de forța aplicată. În alt caz, nanoparticulele nu sufereau efectul de avalanșă de fotoni în condiții ambientale, dar erau supuse acestui efect în cazul în care era aplicată o forță asupra lor.
Dezvoltări viitoare ale nanosenzorilor
Echipa își propune acum să aplice acești senzori de forță la un sistem important în care pot obține un impact semnificativ, cum ar fi un embrion în curs de dezvoltare, precum cei studiați de profesorul de inginerie mecanică din Columbia, Karen Kasza. În ceea ce privește designul senzorului, cercetătorii speră să adauge funcționalități de autocalibrare în nanocristale, astfel încât fiecare nanocristal să poată funcționa ca un senzor de sine stătător. Acest lucru se poate face cu ușurință prin adăugarea altor învelișuri subțiri în timpul sintezei nanocristalelor.
Sursa: SciTechDaily