Uusia "täysoptisia" nano- ja pikovoimien antureita

Mekaaninen voima on olennainen ominaisuus monille fysikaalisille ja biologisille prosesseille. Mekaanisten signaalien etämittausta suurella herkkyydellä ja avaruudellisella resoluutiolla tarvitaan monenlaisiin sovelluksiin robotiikasta solubiofysiikkaan ja lääketieteeseen ja jopa avaruusmatkailuun.

Nanomittakaavaiset luminesenssivoima-anturit ovat erinomaisia piconewtonisten voimien mittaamisessa, kun taas suuremmat anturit ovat osoittautuneet tehokkaiksi mikronewtonisten voimien mittaamisessa.

Suuria aukkoja on kuitenkin edelleen voimasuuruuksissa, joita voitaisiin tutkia etäältä pinnan alta tai rajapintojen alueilta, eikä yksittäinen, ei-invasiivinen anturi ole vielä kyennyt tekemään mittauksia laajalla dynaamisella alueella, joka tarvitaan monien järjestelmien ymmärtämiseen.

Columbia Engineeringin tutkijoiden ja yhteistyökumppaneiden ryhmä raportoi, että he ovat keksineet uusia nanomittakaavan voima-antureita. Ne perustuvat luminoiviin nanokiteisiin, jotka voivat muuttaa voimakkuutta ja/tai väriä, kun niitä puristetaan tai venytetään.

Nämä "täysoptiset" nanosensorit tutkivat vain valolla, joten ne mahdollistavat toimiva etäluennat - johtoja tai liitäntöjä ei tarvita.

Tutkijat, joita johtivat Jim Schuck ja Natalie Fardian-Melamed, yhdessä Berkeley Labin ryhmien kanssa kehittämät nanosensorit saavuttaneet sekä herkimmän voimavasteen ja suurimman dynaamisen alueen, joka on koskaan toteutettu vastaavissa nanokoettimissa.

Niillä on 100 kertaa parempi herkkyys voimille kuin olemassa olevilla nanohiukkasilla, jotka käyttävät harvinaisten maametallien ioneja optiseen vasteeseensa. Lisäksi niiden toiminta-alue kattaa yli neljä voiman suuruusluokkaa.

"Odotamme, että löytömme mullistaa optisilla voima-antureilla saavutettavat herkkyydet ja dynaamisen alueen sekä mullistaa välittömästi teknologioita robotiikasta solubiofysiikkaan ja lääketieteestä avaruusmatkailuun", Schuck sanoo.

Ryhmä pystyi rakentamaan nämä nanosensorit hyödyntämällä nanokiteiden fotonista vyöryvaikutusta. Fotoneja vyöryttävissä nanohiukkasissa yksittäisen fotonin absorptio materiaalin sisällä käynnistää tapahtumien ketjureaktion, joka lopulta johtaa monien fotonien emissioon. Siten se on äärimmäisen epälineaarinen ja haihtuva prosessi, jota Schuck pitää mielellään "jyrkästi epälineaarisena", kuvaillen sitä sanalla "lumivyöry".

Optisesti aktiiviset komponentit tutkimuksen nanokiteissä ovat atomi-ioneja jaksollisen taulukon lantanidirivistä, joita kutsutaan myös harvinaisten maametallien alkuaineiksi ja jotka on seostettu nanokiteeseen. Tässä työssä ryhmä käytti tuliumia.

Seuraavaksi tiimi pyrkii soveltamaan voima-antureitaan tärkeään järjestelmään, jossa ne voivat saavuttaa merkittäviä vaikutuksia, kuten kehittyvään alkioon. Anturisuunnittelun rintamalla tutkijat toivovat lisäävänsä nanokiteisiin itsekalibroivia toimintoja, jotta jokainen nanokide voi toimia itsenäisenä sensorina. Schuck uskoo, että tämä voidaan helposti tehdä lisäämällä toinen ohut kuori nanokidesynteesin aikana.

Aiheesta aiemmin:

Todellisuutta tuntevat proteesit

Ennätysherkkä venymäanturi