全新的纳米传感器

  新纳米力传感器  

机械力是许多物理和生物过程的基本特征。从机器人技术到细胞生物物理学、医学，甚至太空探索，各个领域都需要对机械信号进行远程测量。

现有的纳米级发光力传感器在探测皮牛级（1皮牛 = 1×10⁻¹²牛）的力方面表现出色，而更大的传感器则擅长探测微牛级（1微牛 = 1×10⁻⁶牛）的力。然而，要实现对深埋于地表之下或界面之中的力的远程探测，仍然极具挑战性。

近期发表在《自然》上的一项研究带来了突破性进展。一个研究团队开发了一种新型的纳米力传感器：这些传感器由发光纳米晶体组成，当受到机械推拉时，其发光强度或颜色会发生变化。这种“全光学”的传感器仅使用光进行测量，从而实现了完全的远程读出，无需任何物理连接。

  光子雪崩效应  

发光分子或纳米颗粒发射的光可以用于远程探测，前提是其发射光谱可以对某些变化（如温度、压力或化学环境的改变）作出响应。例如，掺杂有发光镧系元素离子的纳米晶体是一种极佳的光学传感器，因为其光谱中光强的相对比例会随温度或化学环境的变化而改变。实现这一效果的方法之一是所谓的“光子雪崩效应”。

光子雪崩效应是指在光学激发的晶体中，一个单光子的吸收引发连锁反应，最终导致大量光子的发射。由于这一过程高度非线性且极其敏感，因此被形象地称为“雪崩”。

在最新研究中，研究团队使用掺杂镧系元素离子（如铥，Tm）的NaYF₄纳米晶体进行了实验。他们发现，这种光子雪崩效应对多种因素异常敏感，包括镧系离子之间的间距以及外部施加的机械力。当他们用原子力显微镜（AFM）的尖端对这些纳米晶体施加微弱敲击时，观察到这些晶体的雪崩效应受到力的极大影响——这种影响远远超过了研究人员的预期。‍

这一现象最初令研究人员感到意外。他们怀这些疑纳米颗粒可能对力具有敏感性，于是进行了多次控制实验。在敲击颗粒时，他们测量了光子发射，最终证实了其极高的力敏感性。

进一步研究表明，光子雪崩效应可以通过不同的设计实现多样化的力响应。例如，一种设计使纳米颗粒在受力时改变发光颜色；另一种设计则让纳米颗粒在环境条件下不发生光子雪崩，但在施加力后立即触发雪崩反应。

基于这一效应，研究团队制造出了新型的纳米力传感器：能够测量之前无法探测的从皮牛到微牛范围内的力，并实现纳米级空间分辨率。

  广阔前景  

这些新型传感器首次实现了单一纳米力传感器的高分辨率和多尺度功能，使其能够连续覆盖多种力变化的研究，无需依赖多种类别的传感器。更重要的是，这些传感器采用红外光操作，具备卓越的生物相容性和深度穿透能力，使其在复杂的技术或生理系统中实现非接触式精准探测成为可能。

正如2021年诺贝尔奖得主Ardem Patapoutian所指出的那样，多尺度系统中环境敏感过程的探测是一个长期存在的难题。新研究所带来的突破，将为科学界带来全新的范式。这些传感器将使科学家能够动态、精准地绘制现实世界中力和压力的关键变化，突破现有技术的限制，助力解决物理和生物系统中的诸多核心问题。

接下来，研究团队计划将这些力传感器应用于诸如发育中胚胎等重要系统。此外，他们还计划为传感器设计加入自校准功能，使每个纳米晶体能够独立运作，从而进一步提升其实用性和适应性。