La force mécanique est une caractéristique essentielle de nombreux processus physiques et biologiques. La mesure à distance de signaux mécaniques avec une sensibilité et une résolution spatiale élevées est nécessaire pour un large éventail d’applications, de la robotique à la biophysique cellulaire, en passant par la médecine et même les voyages spatiaux. Les capteurs de force luminescents à l’échelle nanométrique excellent dans la mesure des forces du piconewton, tandis que les capteurs plus grands se sont révélés puissants pour sonder les forces du micronewton.
Cependant, de grandes lacunes subsistent dans les amplitudes de force qui peuvent être sondées à distance depuis des sites souterrains ou interfaciaux, et aucun capteur individuel non invasif n’a encore été en mesure d’effectuer des mesures sur la large plage dynamique nécessaire pour comprendre de nombreux systèmes.
Nouveaux capteurs de force à l’échelle nanométrique très réactifs
Dans un papier publié aujourd’hui dans Natureune équipe dirigée par des chercheurs et collaborateurs de Columbia Engineering rapporte avoir inventé de nouveaux capteurs de force à l’échelle nanométrique. Ce sont des nanocristaux luminescents qui peuvent changer d’intensité et/ou de couleur lorsque vous poussez ou tirez dessus. Ces nanocapteurs « entièrement optiques » sont sondés uniquement avec la lumière et permettent donc des lectures entièrement à distance : aucun fil ni connexion n’est nécessaire.
Les chercheurs, dirigés par Jim Schuck, professeur agrégé de génie mécanique, et Natalie Fardian-Melamed, chercheuse postdoctorale dans son groupe, ainsi que les groupes Cohen et Chan du Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab), ont développé des nanocapteurs qui ont atteint les deux la réponse de force la plus sensible et la plus grande plage dynamique jamais réalisée dans des nanosondes similaires.
Ils ont une sensibilité à la force 100 fois supérieure à celle des nanoparticules existantes qui utilisent des ions de terres rares pour leur réponse optique, et une plage opérationnelle qui s’étend sur plus de quatre ordres de grandeur en force, une plage beaucoup plus grande (10 à 100 fois plus grande) que n’importe quelle autre. nanocapteur optique précédent.
« Nous espérons que notre découverte révolutionnera les sensibilités et la plage dynamique réalisables avec les capteurs de force optique, et perturbera immédiatement les technologies dans des domaines allant de la robotique à la biophysique cellulaire et de la médecine aux voyages spatiaux », a déclaré Schuck.
Les nouveaux nanocapteurs peuvent fonctionner dans des environnements auparavant inaccessibles
Les nouveaux nanocapteurs atteignent pour la première fois une fonction multi-échelle haute résolution avec le même nanocapteur. Ceci est important car cela signifie que seul ce nanocapteur, plutôt qu’une suite de différentes classes de capteurs, peut être utilisé pour l’étude continue des forces, du niveau subcellulaire au niveau du système entier dans des systèmes techniques et biologiques, tels que les embryons en développement. , des cellules migrantes, des batteries ou des NEMS intégrés, des systèmes nanoélectromécaniques très sensibles dans lesquels le mouvement physique d’une structure à l’échelle nanométrique est contrôlé par un circuit électronique, ou vice versa.
« Ce qui rend ces capteurs de force uniques, outre leurs capacités de détection multi-échelles inégalées, c’est qu’ils fonctionnent avec une lumière infrarouge bénigne, biocompatible et pénétrante en profondeur », explique Fardian-Melamed. « Cela permet d’examiner en profondeur divers systèmes technologiques et physiologiques et de surveiller leur santé à distance. En permettant la détection précoce d’un dysfonctionnement ou d’une défaillance de ces systèmes, ces capteurs auront un impact profond sur des domaines allant de la santé humaine à l’énergie et à la durabilité. « .
Utiliser l’effet d’avalanche de photons pour construire les nanocapteurs
L’équipe a pu construire ces nanocapteurs en exploitant l’effet d’avalanche de photons au sein des nanocristaux. Dans les nanoparticules à avalanche de photons, découvertes pour la première fois par le groupe de Schuck à Columbia Engineering, l’absorption d’un seul photon dans un matériau déclenche une réaction en chaîne d’événements qui conduit finalement à l’émission de nombreux photons.
Ainsi, un photon est absorbé, plusieurs photons sont émis. Il s’agit d’un processus extrêmement non linéaire et volatil que Schuck aime décrire comme « fortement non linéaire », jouant sur le mot « avalanche ».
Les composants optiquement actifs dans les nanocristaux de l’étude sont des ions atomiques de la rangée d’éléments des lanthanides du tableau périodique, également connus sous le nom d’éléments de terres rares, qui sont dopés dans le nanocristal. Pour cet article, l’équipe a utilisé du thulium.
Les chercheurs ont découvert que le processus d’avalanche de photons est très, très sensible à plusieurs facteurs, notamment à l’espacement entre les ions lanthanides. Dans cet esprit, ils ont exploité certaines de leurs nanoparticules à avalanche de photons (ANP) avec une pointe de microscopie à force atomique (AFM) et ont découvert que le comportement d’avalanche était grandement influencé par ces forces douces, bien plus que ce à quoi ils s’attendaient.
« Nous avons découvert cela presque par hasard », explique Schuck. « Nous soupçonnions que ces nanoparticules étaient sensibles à la force, nous avons donc mesuré leur émission en tapotant dessus. Et elles se sont révélées bien plus sensibles que prévu ! En fait, nous n’y avons pas cru au début ; nous avons pensé que la pointe pouvait avoir un effet différent. Mais ensuite Natalie a fait toutes les mesures de contrôle et a découvert que la réponse était entièrement due à cette sensibilité extrême à la force.
Connaissant la sensibilité des ANP, l’équipe a ensuite conçu de nouvelles nanoparticules capables de répondre aux forces de différentes manières. Dans une nouvelle conception, la nanoparticule change la couleur de sa luminescence en fonction de la force appliquée. Dans une autre conception, ils ont fabriqué des nanoparticules qui ne démontrent pas d’avalanche de photons dans des conditions ambiantes, mais qui commencent à avalancher lorsqu’une force est appliquée. Celles-ci se sont révélées extrêmement sensibles à la force.
Pour cette étude, Schuck, Fardian-Melamed et d’autres membres de l’équipe de nano-optique de Schuck ont travaillé en étroite collaboration avec une équipe de chercheurs de la fonderie moléculaire du Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) dirigée par Emory Chan et Bruce Cohen. L’équipe du laboratoire de Berkeley a développé les ANP personnalisés sur la base des commentaires de Columbia, synthétisant et caractérisant des dizaines d’échantillons pour comprendre et optimiser les propriétés optiques des particules.
Quelle est la prochaine étape
L’équipe vise maintenant à appliquer ces capteurs de force à un système important où ils peuvent avoir un impact significatif, tel qu’un embryon en développement, comme ceux étudiés par Karen Kasza, professeur de génie mécanique à Columbia. En ce qui concerne la conception des capteurs, les chercheurs espèrent ajouter une fonctionnalité d’auto-étalonnage aux nanocristaux, afin que chaque nanocristal puisse fonctionner comme un capteur autonome. Schuck pense que cela peut facilement être réalisé en ajoutant une autre coque mince lors de la synthèse des nanocristaux.
« L’importance de développer de nouveaux capteurs de force a été récemment soulignée par Ardem Patapoutian, lauréat du prix Nobel 2021 qui a souligné la difficulté dans l’étude des processus sensibles à l’environnement au sein de systèmes multi-échelles, c’est-à-dire dans la plupart des processus physiques et biologiques », note Schuck.
« Nous sommes ravis de faire partie de ces découvertes qui transforment le paradigme de la détection, permettant de cartographier de manière sensible et dynamique les changements critiques de forces et de pressions dans des environnements réels qui sont actuellement inaccessibles avec les technologies d’aujourd’hui. »
Plus d’informations :
Nanocapteurs infrarouges de forces piconewton à micronewton, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-08221-2