Novos sensores em nanoescala ‘totalmente ópticos’ de força de acesso a ambientes anteriormente inacessíveis

A força mecânica é uma característica essencial para muitos processos físicos e biológicos. A medição remota de sinais mecânicos com alta sensibilidade e resolução espacial é necessária para uma ampla gama de aplicações, desde robótica até biofísica celular e medicina e até mesmo viagens espaciais. Sensores de força luminescentes em nanoescala são excelentes na medição de forças piconewton, enquanto sensores maiores provaram ser poderosos na sondagem de forças micronewton.

No entanto, permanecem grandes lacunas nas magnitudes de força que podem ser sondadas remotamente a partir de locais subterrâneos ou interfaciais, e nenhum sensor particular person e não invasivo foi capaz de fazer medições na grande faixa dinâmica necessária para compreender muitos sistemas.

Novos sensores de força em nanoescala altamente responsivos

Em um papel publicado hoje em Naturezauma equipe liderada por pesquisadores e colaboradores da Columbia Engineering relata que inventaram novos sensores de força em nanoescala. São nanocristais luminescentes que podem mudar de intensidade e/ou cor quando você os empurra ou puxa. Esses nanosensores “totalmente ópticos” são sondados apenas com luz e, portanto, permitem leituras totalmente remotas – sem necessidade de fios ou conexões.

Os pesquisadores, liderados por Jim Schuck, professor associado de engenharia mecânica, e Natalie Fardian-Melamed, pós-doutoranda em seu grupo, juntamente com os grupos Cohen e Chan do Lawrence Berkeley Nationwide Lab (Berkeley Lab), desenvolveram nanossensores que alcançaram ambos a resposta de força mais sensível e a maior faixa dinâmica já realizada em nanossondas semelhantes.

Eles têm sensibilidade à força 100 vezes melhor do que as nanopartículas existentes que utilizam íons de terras raras para sua resposta óptica, e um alcance operacional que abrange mais de quatro ordens de magnitude em vigor, um alcance muito maior – 10–100 vezes maior – do que qualquer outro. nanosensor óptico anterior.

“Esperamos que a nossa descoberta revolucione as sensibilidades e a faixa dinâmica alcançáveis ​​com sensores ópticos de força e interrompa imediatamente tecnologias em áreas que vão da robótica à biofísica celular e da medicina às viagens espaciais”, diz Schuck.

Novos nanosensores podem operar em ambientes anteriormente inacessíveis

Os novos nanosensores alcançam pela primeira vez função multiescala de alta resolução com o mesmo nanosensor. Isto é importante porque significa que apenas este nanossensor, em vez de um conjunto de diferentes lessons de sensores, pode ser utilizado para o estudo contínuo de forças, desde o nível subcelular até ao nível de todo o sistema em sistemas biológicos e de engenharia, tais como o desenvolvimento de embriões. , células migratórias, baterias ou NEMS integrados, sistemas nanoeletromecânicos muito sensíveis nos quais o movimento físico de uma estrutura em escala nanométrica é controlado por um circuito eletrônico, ou vice-versa.

“O que torna esses sensores de força únicos – além de suas capacidades de detecção multiescala incomparáveis ​​- é que eles operam com luz infravermelha benigna, biocompatível e profundamente penetrante”, diz Fardian-Melamed. “Isso permite examinar profundamente vários sistemas tecnológicos e fisiológicos e monitorar sua saúde à distância. Permitindo a detecção precoce de mau funcionamento ou falha nesses sistemas, esses sensores terão um impacto profundo em áreas que vão da saúde humana à energia e sustentabilidade .”

Usando o efeito de avalanche de fótons para construir os nanosensores

A equipe conseguiu construir esses nanosensores explorando o efeito de avalanche de fótons dentro dos nanocristais. Em nanopartículas de avalanche de fótons, que foram descoberto pela primeira vez pelo grupo de Schuck na Columbia Engineering, a absorção de um único fóton dentro de um materials desencadeia uma reação em cadeia de eventos que acaba levando à emissão de muitos fótons.

Assim, um fóton é absorvido, muitos fótons são emitidos. É um processo extremamente não-linear e volátil que Schuck gosta de descrever como “intensamente não-linear”, brincando com a palavra “avalanche”.

Os componentes opticamente ativos dentro dos nanocristais do estudo são íons atômicos da linha de elementos lantanídeos da tabela periódica, também conhecidos como elementos de terras raras, que são dopados no nanocristal. Para este artigo, a equipe usou túlio.

Os pesquisadores descobriram que o processo de avalanche de fótons é muito, muito sensível a várias coisas, incluindo o espaçamento entre os íons lantanídeos. Com isto em mente, eles utilizaram algumas das suas nanopartículas de avalanche de fotões (ANPs) com uma ponta de microscopia de força atómica (AFM) e descobriram que o comportamento de avalanche foi grandemente impactado por estas forças suaves – muito mais do que alguma vez esperavam.

“Descobrimos isso quase por acidente”, diz Schuck. “Suspeitamos que essas nanopartículas eram sensíveis à força, então medimos sua emissão enquanto batíamos nelas. E elas se mostraram muito mais sensíveis do que o previsto! Na verdade, não acreditamos no início; pensamos que a ponta poderia estar tendo um efeito diferente. Mas então Natalie fez todas as medições de controle e descobriu que a resposta period toda devida a essa extrema sensibilidade à força.”

Sabendo o quão sensíveis eram os ANPs, a equipe projetou então novas nanopartículas que responderiam às forças de diferentes maneiras. Num novo design, a nanopartícula muda a cor da sua luminescência dependendo da força aplicada. Num outro projeto, eles criaram nanopartículas que não demonstram avalanches de fótons sob condições ambientais, mas que começam a avalanchar à medida que a força é aplicada – estas revelaram-se extremamente sensíveis à força.

Para este estudo, Schuck, Fardian-Melamed e outros membros da equipe de nanoóptica de Schuck trabalharam em estreita colaboração com uma equipe de pesquisadores da Fundição Molecular do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) liderada por Emory Chan e Bruce Cohen. A equipe do laboratório de Berkeley desenvolveu os ANPs personalizados com base no suggestions da Columbia, sintetizando e caracterizando dezenas de amostras para compreender e otimizar as propriedades ópticas das partículas.

O que vem a seguir

A equipe agora pretende aplicar esses sensores de força a um sistema importante onde possam obter um impacto significativo, como um embrião em desenvolvimento, como aqueles estudados pela professora de engenharia mecânica de Columbia, Karen Kasza. No que diz respeito ao design do sensor, os pesquisadores esperam adicionar funcionalidade de autocalibração aos nanocristais, para que cada nanocristal possa funcionar como um sensor independente. Schuck acredita que isso pode ser feito facilmente com a adição de outra casca fina durante a síntese de nanocristais.

“A importância do desenvolvimento de novos sensores de força foi recentemente sublinhada por Ardem Patapoutian, o Prémio Nobel de 2021 que enfatizou a dificuldade na investigação de processos ambientalmente sensíveis em sistemas multiescala – isto é, na maioria dos processos físicos e processos biológicos“, observa Schuck.

“Estamos entusiasmados por fazer parte dessas descobertas que transformam o paradigma da detecção, permitindo mapear de forma sensível e dinâmica mudanças críticas nas forças e pressões em ambientes do mundo actual que atualmente são inacessíveis com as tecnologias atuais.”