Neue „volloptische“ nanoskalige Kraftsensoren greifen auf bisher unerreichbare Umgebungen zu

Mechanische Kraft ist ein wesentliches Merkmal vieler physikalischer und biologischer Prozesse. Die Fernmessung mechanischer Signale mit hoher Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung wird für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt, von der Robotik über die zelluläre Biophysik und Medizin bis hin zur Raumfahrt. Nanoskalige Lumineszenzkraftsensoren zeichnen sich durch hervorragende Ergebnisse bei der Messung von Pikonewton-Kräften aus, während sich größere Sensoren bei der Messung von Mikronewton-Kräften als leistungsstark erwiesen haben.

Allerdings bestehen nach wie vor große Lücken bei den Kraftgrößen, die aus der Ferne unter der Oberfläche oder an Grenzflächen gemessen werden können, und noch ist kein einzelner, nicht-invasiver Sensor in der Lage, Messungen über den großen dynamischen Bereich durchzuführen, der zum Verständnis vieler Systeme erforderlich ist.

Neue, hochempfindliche nanoskalige Kraftsensoren

In einem Papier heute veröffentlicht in Naturberichtet ein Team unter der Leitung von Forschern und Mitarbeitern von Columbia Engineering, dass sie neue Kraftsensoren im Nanomaßstab erfunden haben. Es handelt sich um leuchtende Nanokristalle, deren Intensität und/oder Farbe sich ändern kann, wenn man darauf drückt oder zieht. Diese „volloptischen“ Nanosensoren werden nur mit Licht untersucht und ermöglichen daher eine vollständige Fernauslesung – es sind keine Kabel oder Verbindungen erforderlich.

Die Forscher unter der Leitung von Jim Schuck, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, und Natalie Fardian-Melamed, einer Postdoktorandin in seiner Gruppe, entwickelten zusammen mit den Cohen- und Chan-Gruppen am Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) Nanosensoren, die beides erreichten die empfindlichste Kraftreaktion und den größten dynamischen Bereich, der jemals in ähnlichen Nanosonden realisiert wurde.

Sie verfügen über eine 100-mal bessere Kraftempfindlichkeit als die bestehenden Nanopartikel, die für ihre optische Reaktion Seltenerdionen nutzen, und einen Wirkungsbereich, der mehr als vier Größenordnungen der Kraft umfasst, einen viel größeren Bereich – 10–100-mal größer – als alle anderen bisheriger optischer Nanosensor.

„Wir gehen davon aus, dass unsere Entdeckung die mit optischen Kraftsensoren erreichbaren Empfindlichkeiten und Dynamikbereiche revolutionieren und Technologien in Bereichen von der Robotik über die zelluläre Biophysik und Medizin bis hin zur Raumfahrt sofort revolutionieren wird“, sagt Schuck.

Neue Nanosensoren können in bisher unzugänglichen Umgebungen eingesetzt werden

Die neuen Nanosensoren erreichen erstmals eine hochauflösende Multiskalenfunktion mit demselben Nanosensor. Dies ist wichtig, da es bedeutet, dass nur dieser Nanosensor und nicht eine Reihe verschiedener Sensorklassen für die kontinuierliche Untersuchung von Kräften von der subzellulären bis zur Gesamtsystemebene in technischen und biologischen Systemen wie sich entwickelnden Embryonen eingesetzt werden kann , wandernde Zellen, Batterien oder integrierte NEMS, sehr empfindliche nanoelektromechanische Systeme, in denen die physikalische Bewegung einer Struktur im Nanometerbereich durch einen elektronischen Schaltkreis gesteuert wird, oder umgekehrt.

„Was diese Kraftsensoren einzigartig macht – abgesehen von ihren beispiellosen Multiskalen-Sensorfähigkeiten – ist, dass sie mit harmlosem, biokompatiblem und tief eindringendem Infrarotlicht arbeiten“, sagt Fardian-Melamed. „Dadurch kann man tief in verschiedene technologische und physiologische Systeme blicken und deren Zustand aus der Ferne überwachen. Durch die frühzeitige Erkennung von Fehlfunktionen oder Ausfällen in diesen Systemen werden diese Sensoren tiefgreifende Auswirkungen auf Bereiche haben, die von der menschlichen Gesundheit bis hin zu Energie und Nachhaltigkeit reichen.“ .“

Nutzung des Photonenlawineneffekts zum Aufbau der Nanosensoren

Dem Team gelang es, diese Nanosensoren zu bauen, indem es den Photonenlawineneffekt in Nanokristallen nutzte. Bei Photonenlawinen-Nanopartikeln, die erstmals von Schucks Gruppe am Columbia Engineering entdeckt wurden, löst die Absorption eines einzelnen Photons in einem Material eine Kettenreaktion aus, die letztendlich zur Emission vieler Photonen führt.

Ein Photon wird also absorbiert, viele Photonen werden emittiert. Es handelt sich um einen äußerst nichtlinearen und volatilen Prozess, den Schuck gerne als „steil nichtlinear“ beschreibt und dabei mit dem Wort „Lawine“ spielt.

Die optisch aktiven Komponenten in den Nanokristallen der Studie sind Atomionen aus der Lanthanoidenreihe der Elemente im Periodensystem, auch bekannt als Seltenerdelemente, die in den Nanokristall dotiert sind. Für diese Arbeit verwendete das Team Thulium.

Die Forscher fanden heraus, dass der Photonenlawinenprozess sehr, sehr empfindlich auf verschiedene Dinge reagiert, einschließlich des Abstands zwischen Lanthanoidionen. Vor diesem Hintergrund berührten sie einige ihrer Photonenlawinen-Nanopartikel (ANPs) mit einer Spitze für die Rasterkraftmikroskopie (AFM) und stellten fest, dass das Lawinenverhalten durch diese sanften Kräfte stark beeinflusst wurde – viel stärker, als sie jemals erwartet hatten.

„Wir haben das fast zufällig entdeckt“, sagt Schuck. „Wir vermuteten, dass diese Nanopartikel empfindlich auf Krafteinwirkung reagieren, also haben wir ihre Emission gemessen, während wir darauf klopften. Und es stellte sich heraus, dass sie viel empfindlicher waren als erwartet! Wir haben es zunächst gar nicht geglaubt; wir dachten, dass die Spitze möglicherweise eine… Aber dann führte Natalie alle Kontrollmessungen durch und stellte fest, dass die Reaktion ausschließlich auf diese extreme Kraftempfindlichkeit zurückzuführen war.

Da das Team wusste, wie empfindlich die ANPs waren, entwarf es dann neue Nanopartikel, die auf unterschiedliche Weise auf Kräfte reagieren würden. In einem neuen Design ändert das Nanopartikel je nach ausgeübter Kraft die Farbe seiner Lumineszenz. In einem anderen Design stellten sie Nanopartikel her, die unter Umgebungsbedingungen keine Photonenlawine zeigen, aber bei Krafteinwirkung eine Lawine auszulösen beginnen – diese erwiesen sich als äußerst empfindlich gegenüber Kraft.

Für diese Studie arbeiteten Schuck, Fardian-Melamed und andere Mitglieder des Schuck-Nanooptik-Teams eng mit einem Forscherteam der Molecular Foundry am Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) unter der Leitung von Emory Chan und Bruce Cohen zusammen. Das Berkeley-Laborteam entwickelte die maßgeschneiderten ANPs auf der Grundlage des Feedbacks aus Columbia und synthetisierte und charakterisierte Dutzende von Proben, um die optischen Eigenschaften der Partikel zu verstehen und zu optimieren.

Was kommt als nächstes?

Das Team möchte diese Kraftsensoren nun auf ein wichtiges System anwenden, wo sie erhebliche Auswirkungen erzielen können, beispielsweise auf einen sich entwickelnden Embryo, wie sie von Karen Kasza, Professorin für Maschinenbau an der Columbia University, untersucht wurden. Was das Sensordesign betrifft, hoffen die Forscher, den Nanokristallen eine selbstkalibrierende Funktionalität hinzuzufügen, sodass jeder Nanokristall als eigenständiger Sensor fungieren kann. Schuck glaubt, dass dies leicht durch das Hinzufügen einer weiteren dünnen Hülle während der Nanokristallsynthese erreicht werden kann.

„Die Bedeutung der Entwicklung neuer Kraftsensoren wurde kürzlich von Ardem Patapoutian, dem Nobelpreisträger von 2021, unterstrichen betonte die Schwierigkeit bei der Untersuchung umweltsensibler Prozesse in Multiskalensystemen – also in den meisten physikalischen und biologischen Prozessen“, bemerkt Schuck.

„Wir freuen uns, Teil dieser Entdeckungen zu sein, die das Paradigma der Sensorik verändern und es ermöglichen, kritische Veränderungen von Kräften und Drücken in realen Umgebungen, die mit heutigen Technologien derzeit nicht erreichbar sind, sensibel und dynamisch abzubilden.“