Membuka Kekuatan Tersembunyi: Bagaimana Nanosensor Revolusioner Mengubah Kedokteran dan Teknologi
Nanosensor photon-avalanching revolusioner telah dikembangkan oleh para peneliti di Columbia Engineering, berjanji untuk mengubah teknologi mulai dari robotika hingga perjalanan ruang angkasa.
Sensor -sensor ini dapat mengukur kekuatan mekanis dengan sensitivitas dan ruang lingkup yang belum pernah terjadi sebelumnya, membuatnya mampu menyelidiki lingkungan dan proses yang sebelumnya dianggap tidak dapat dijangkau.
Nanosensor photon-avalanching
Kekuatan mekanis memainkan peran penting dalam banyak proses fisik dan biologis. Mengukur kekuatan -kekuatan ini secara akurat dari jarak jauh, dengan sensitivitas tinggi dan resolusi spasial yang tepat, sangat penting untuk aplikasi yang mencakup robotika, biofisika seluler, obat -obatan, dan bahkan eksplorasi ruang angkasa. Ketika nano Sensor gaya luminescent mahir mendeteksi kekuatan Piconewton kecil, sensor yang lebih besar efektif untuk mengukur pasukan micronewton.
Namun, kesenjangan yang signifikan tetap dalam kisaran kekuatan yang dapat diukur dari jarak jauh, terutama di permukaan bawah permukaan atau antarmuka. Saat ini, tidak ada sensor non-invasif tunggal yang dapat beroperasi di seluruh rentang dinamis yang diperlukan untuk sepenuhnya memahami banyak sistem yang kompleks.
Merevolusi penginderaan kekuatan dengan nanosensor baru
Dalam makalah yang diterbitkan pada 1 Januari oleh Alam, Sebuah tim yang dipimpin oleh para peneliti dan kolaborator teknik Columbia melaporkan bahwa mereka telah menemukan sensor kekuatan nano baru. Mereka adalah nanocrystals bercahaya yang dapat mengubah intensitas dan/atau warna saat Anda mendorong atau menariknya. Nanosensor “semua-optik” ini diperiksa dengan cahaya saja dan karenanya memungkinkan pembacaan yang sepenuhnya jauh-tidak diperlukan kabel atau koneksi.
Para peneliti, yang dipimpin oleh Jim Schuck, Associate Professor Teknik Mesin, dan Natalie Fardian-Melamed, seorang sarjana postdoctoral dalam kelompoknya, bersama dengan kelompok Cohen dan Chan di Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab), mengembangkan nanosensor yang telah mencapai keduanya Respons kekuatan paling sensitif dan rentang dinamis terbesar yang pernah direalisasikan dalam nanoprob yang sama. Mereka memiliki sensitivitas kekuatan 100 kali lebih baik daripada nanopartikel yang ada yang memanfaatkan ion langka-bumi untuk respons optik mereka, dan rentang operasional yang membentang lebih dari empat pesanan besar yang berlaku, kisaran yang jauh lebih besar-10-100 kali lebih besar-daripada apa pun nanosensor optik sebelumnya.
“Kami berharap penemuan kami akan merevolusi sensitivitas dan rentang dinamis yang dapat dicapai dengan sensor kekuatan optik, dan akan segera mengganggu teknologi di daerah mulai dari robotika hingga biofisika seluler dan obat -obatan hingga perjalanan ruang angkasa,” kata Schuck.
Memperluas kemampuan sensor
Nanosensor baru mencapai fungsi multiskala resolusi tinggi dengan nanosensor yang sama untuk pertama kalinya. Ini penting karena itu berarti bahwa hanya nanosensor ini, daripada serangkaian kelas sensor yang berbeda, dapat digunakan untuk studi kekuatan yang berkelanjutan, dari subseluler ke tingkat seluruh sistem dalam sistem yang direkayasa dan biologis, seperti mengembangkan embrio , sel yang bermigrasi, baterai, atau NEMS terintegrasi, sistem nanoelektromekanis yang sangat sensitif di mana gerakan fisik struktur skala nanometer dikendalikan oleh sirkuit elektronik, atau sebaliknya.
“Apa yang membuat sensor kekuatan ini unik-terlepas dari kemampuan penginderaan multiskala mereka yang tak tertandingi-adalah bahwa mereka beroperasi dengan cahaya inframerah jinak, biokompatibel, dan sangat menembus,” kata Fardian-Melamed. “Ini memungkinkan seseorang untuk mengintip jauh ke berbagai sistem teknologi dan fisiologis, dan memantau kesehatan mereka dari jauh. Mengaktifkan deteksi dini kerusakan atau kegagalan dalam sistem ini, sensor ini akan memiliki dampak mendalam pada bidang mulai dari kesehatan manusia hingga energi dan keberlanjutan. “
Memanfaatkan photon-avalanching untuk meningkatkan penginderaan
Tim ini mampu membangun nanosensor ini dengan mengeksploitasi efek photon-avalanching dalam nanocrystals. Dalam nanopartikel photon-avalanching, yang pertama kali ditemukan oleh kelompok Schuck di Columbia Engineering, penyerapan satu foton Di dalam material yang memicu reaksi berantai dari peristiwa yang pada akhirnya mengarah pada emisi banyak foton. Jadi: satu foton diserap, banyak foton dipancarkan. Ini adalah proses yang sangat nonlinier dan tidak stabil yang suka digambarkan Schuck sebagai “tidak linier, 'bermain pada kata” longsor. “
Komponen aktif secara optik dalam nanokristal penelitian adalah ion atom dari baris lanthanide elemen dalam tabel periodik, juga dikenal sebagai elemen langka-earth, yang didoping ke dalam nanokristal. Untuk makalah ini, tim menggunakan Thulium.
Mengungkap sensitivitas yang tidak terduga
Para peneliti menemukan bahwa proses longsoran foton sangat, sangat sensitif terhadap beberapa hal, termasuk jarak antara ion lantanida. Dengan mengingat hal ini, mereka mengetuk beberapa nanopartikel longsor foton mereka (APS) dengan ujung mikroskop kekuatan atom (AFM), dan menemukan bahwa perilaku longsor sangat dipengaruhi oleh kekuatan lembut ini – lebih dari yang pernah mereka harapkan.
“Kami menemukan ini hampir secara tidak sengaja,” kata Schuck. “Kami menduga nanopartikel ini sensitif terhadap paksa, jadi kami mengukur emisi mereka sambil mengetuknya. Dan mereka ternyata jauh lebih sensitif daripada yang diantisipasi! Kami sebenarnya tidak percaya pada awalnya; Kami pikir ujungnya mungkin memiliki efek yang berbeda. Tetapi kemudian Natalie melakukan semua pengukuran kontrol dan menemukan bahwa responsnya adalah karena sensitivitas kekuatan ekstrem ini. “
Mengetahui betapa sensitifnya APS, tim kemudian merancang nanopartikel baru yang akan merespons kekuatan dengan cara yang berbeda. Dalam satu desain baru, nanopartikel mengubah warna luminesensi tergantung pada gaya yang diterapkan. Dalam desain lain, mereka membuat nanopartikel yang tidak menunjukkan longsor foton dalam kondisi sekitar, tetapi mulai longsor karena kekuatan diterapkan – ini ternyata sangat sensitif terhadap kekuatan.
Arah di masa depan dalam aplikasi nanosensor
Untuk penelitian ini, Schuck, Fardian-Melamed, dan anggota tim Nano-Optics Schuck lainnya bekerja erat dengan tim peneliti di Pengecoran Molekuler di Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) yang dipimpin oleh Emory Chan dan Bruce Cohen. Tim Lab Berkeley mengembangkan ANP khusus berdasarkan umpan balik dari Columbia, mensintesis dan mengkarakterisasi lusinan sampel untuk memahami dan mengoptimalkan sifat optik partikel.
Tim sekarang bertujuan untuk menerapkan sensor kekuatan ini ke sistem penting di mana mereka dapat mencapai dampak yang signifikan, seperti embrio yang sedang berkembang, seperti yang dipelajari oleh profesor teknik mesin Columbia, Karen Kasza. Di bagian depan desain sensor, para peneliti berharap untuk menambahkan fungsi yang kalibrasi sendiri ke dalam nanocrystals, sehingga setiap nanokristal dapat berfungsi sebagai sensor mandiri. Schuck percaya ini dapat dengan mudah dilakukan dengan penambahan cangkang tipis lain selama sintesis nanokristal.
“Pentingnya mengembangkan sensor kekuatan baru baru -baru ini digarisbawahi oleh Ardem Patapoutian, pemenang Nobel 2021 yang menekankan kesulitan dalam menyelidiki proses yang sensitif terhadap lingkungan dalam sistem multiskala – yaitu, dalam sebagian besar proses fisik dan biologis. (Nature Reviews Mol. Cell Biol. 18, 771 (2017)), ”catatan Schuck. “Kami sangat senang menjadi bagian dari penemuan-penemuan ini yang mengubah paradigma penginderaan, memungkinkan seseorang untuk memetakan perubahan kritis secara sensitif dan dinamis dalam kekuatan dan tekanan di lingkungan dunia nyata yang saat ini tidak dapat dijangkau dengan teknologi saat ini.
Reference: “Infrared nanosensors of piconewton to micronewton forces” by Natalie Fardian-Melamed, Artiom Skripka, Benedikt Ursprung, Changhwan Lee, Thomas P. Darlington, Ayelet Teitelboim, Xiao Qi, Maoji Wang, Jordan M. Gerton, Bruce E. Cohen, Emory M. Chan dan P. James Schuck, 1 Januari 2025, Alam.
Doi: 10.1038/s41586-024-08221-2
Ucapan Terima Kasih: NF-M. Berhasil mengakui dukungan dari Program Penelitian dan Inovasi Horizon 2020 Uni Eropa di bawah Perjanjian Hibah Marie Skłodowska-Curie No. 893439, Program Beasiswa Fulbright Negara Bagian AS, Program Kepemimpinan STEM Zuckerman-CHE, Yayasan Pendidikan Beasiswa Israel (ISEF) Program Persekutuan Internasional, dan Penghargaan Pengembangan Karir Postdoktoral Wanita Weizmann Institute. BU dan PJS mengakui dukungan oleh National Science Foundation di bawah hibah no. Che-2203510. Sebagaimana mengakui dukungan dari program penelitian dan inovasi Horizon 2020 Uni Eropa di bawah Perjanjian Hibah Marie Skłodowska-Curie No. 895809 (Monocle). Pekerjaan di pengecoran molekuler didukung oleh Kantor Sains, Kantor Ilmu Energi Dasar, dari Departemen Energi AS di bawah Jumlah Kontrak DE-AC02-05CH11231. XQ, BEC, dan EMC didukung sebagian oleh Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan (DARPA) Program Envisi di bawah Kontrak HR0011257070, dan CL dan PJS di bawah DARPA Envision Contract HR0011220006. TPD dan PJs juga mengakui dukungan untuk pengukuran pemindaian-probe dari material kuantum yang dapat diprogram, pusat penelitian perbatasan energi yang didanai oleh DOE AS, Kantor Sains, Ilmu Energi Dasar (BES), di bawah penghargaan DE-SC0019443.
