科學家成功研發出全光學力感測奈米傳感器，這些發光奈米晶體能在受到壓力或拉力時改變其強度和/或顏色，僅需光作為探測工具即可進行遠端讀取，完全不需要連線或電纜。相比利用稀土離子進行光學回應的現有奈米粒子，新技術的靈敏度提升了 100 倍，且其運作範圍超過四個數量級的力，為現有光學奈米傳感器的 10 至 100 倍。
新傳感器首次實現了高解析度、多尺度功能整合，意味著可以僅使用一種傳感器，連續監測從亞細胞層級到整體系統層級的力學變化。例如，可用於研究胚胎發育、細胞遷移、電池性能或奈米機電系統（Nanoelectromechanical systems，NEMS），這是一種通過電子電路控制奈米級結構運動的系統，或反之亦然。
哥倫比亞大學研究員吉姆·舒克博士（Dr. Jim Schuck） 表示：「這一發現將徹底改變光學力傳感器的靈敏度和動態範圍，並即刻應用於從機器人技術到細胞生物物理學、醫學乃至太空探索等領域。」
納塔莉·法迪安-梅拉梅德博士（Dr. Natalie Fardian-Melamed） 強調：「這些力感測器的獨特之處，不僅在於其卓越的多尺度感測能力，還在於它們利用對生物相容、穿透性強的紅外光進行操作，使我們能深入觀察多種技術與生理系統，並遠程監測其健康狀況。」
這些感測器預期能在早期檢測出系統異常或故障，對於人類健康、能源與永續發展領域具有深遠影響。
雪崩效應引發連鎖反應
研究團隊利用奈米晶體內的光子雪崩效應建造了這些傳感器。光子雪崩奈米粒子（ANPs）中，單個光子的吸收會引發連鎖反應，最終導致多個光子的發射。該過程對奈米晶體內稀土離子的間距等因素高度敏感。
此次研究中，科學家選用的稀土元素是銩（Thulium），並發現使用原子力顯微鏡（AFM）探針輕輕敲擊這些粒子後，其光子雪崩行為受到的影響遠超預期。
舒克博士回憶道：「這一發現幾乎是意外所得。我們懷疑這些奈米粒子對力很敏感，因此測量了它們在受壓時的發光情況，結果它們的靈敏度超乎想像！」
隨後，研究人員設計出兩種新型奈米粒子：
力致顏色變化：隨外力大小改變其發光顏色。
力觸發光子雪崩：在環境條件下不發生光子雪崩，但施加外力後開始雪崩，展現極高的力靈敏度。
團隊計畫將這些傳感器應用於具重大影響的系統中，例如監測多尺度系統中的環境敏感過程，正如 2021 年諾貝爾獎得主阿德姆·帕塔普廷（Ardem Patapoutian）強調的研究難題。
舒克博士表示：「我們很高興參與這項革命性發現，能夠動態且精確地描繪真實環境中難以達到的關鍵力學與壓力變化。」
這項研究已發表於 《自然》期刊（Nature）。
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首圖來源： Andrew Mueller / Columbia Engineering. (CC BY 4.0)
參考論文：
Infrared nanosensors of piconewton to micronewton forcesNature
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