Nuevos sensores de fuerza a nanoescala ‘totalmente ópticos’ acceden a entornos previamente inalcanzables

La fuerza mecánica es una característica esencial para muchos procesos físicos y biológicos. La medición remota de señales mecánicas con alta sensibilidad y resolución espacial es necesaria para una amplia gama de aplicaciones, desde la robótica hasta la biofísica celular y la medicina e incluso los viajes espaciales. Los sensores de fuerza luminiscentes a nanoescala destacan en la medición de fuerzas de piconewton, mientras que los sensores más grandes han demostrado ser potentes para sondear fuerzas de micronewton.

Sin embargo, aún quedan grandes lagunas en las magnitudes de fuerza que pueden sondearse de forma remota desde sitios subterráneos o interfaciales, y ningún sensor individual no invasivo ha podido realizar mediciones en el amplio rango dinámico necesario para comprender muchos sistemas.

Nuevos sensores de fuerza a nanoescala de alta capacidad de respuesta

en un papel publicado hoy en Naturalezaun equipo dirigido por investigadores y colaboradores de Columbia Engineering informa que han inventado nuevos sensores de fuerza a nanoescala. Son nanocristales luminiscentes que pueden cambiar de intensidad y/o color cuando los empujas o tiras. Estos nanosensores «totalmente ópticos» se prueban únicamente con luz y, por lo tanto, permiten lecturas completamente remotas, sin necesidad de cables ni conexiones.

Los investigadores, dirigidos por Jim Schuck, profesor asociado de ingeniería mecánica, y Natalie Fardian-Melamed, becaria postdoctoral de su grupo, junto con los grupos Cohen y Chan del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), desarrollaron nanosensores que han logrado ambos la respuesta de fuerza más sensible y el mayor rango dinámico jamás realizado en nanosondas similares.

Tienen una sensibilidad a la fuerza 100 veces mejor que las nanopartículas existentes que utilizan iones de tierras raras para su respuesta óptica, y un rango operativo que abarca más de cuatro órdenes de magnitud de fuerza, un rango mucho mayor (entre 10 y 100 veces mayor) que cualquier otro. nanosensor óptico anterior.

«Esperamos que nuestro descubrimiento revolucione las sensibilidades y el rango dinámico que se pueden lograr con los sensores ópticos de fuerza, e inmediatamente revolucionará las tecnologías en áreas que van desde la robótica hasta la biofísica celular y desde la medicina hasta los viajes espaciales», dice Schuck.

Los nuevos nanosensores pueden funcionar en entornos antes inaccesibles

Los nuevos nanosensores logran por primera vez una función multiescala de alta resolución con el mismo nanosensor. Esto es importante porque significa que sólo este nanosensor, en lugar de un conjunto de diferentes clases de sensores, puede emplearse para el estudio continuo de fuerzas, desde el nivel subcelular hasta el nivel de todo el sistema en sistemas biológicos y de ingeniería, como los embriones en desarrollo. , celdas migratorias, baterías o NEMS integrados, sistemas nanoelectromecánicos muy sensibles en los que el movimiento físico de una estructura a escala nanométrica está controlado por un circuito electrónico, o viceversa.

«Lo que hace que estos sensores de fuerza sean únicos, además de sus incomparables capacidades de detección multiescala, es que operan con luz infrarroja benigna, biocompatible y profundamente penetrante», dice Fardian-Melamed. «Esto permite observar profundamente varios sistemas tecnológicos y fisiológicos y monitorear su salud desde lejos. Al permitir la detección temprana de mal funcionamiento o falla en estos sistemas, estos sensores tendrán un profundo impacto en campos que van desde la salud humana hasta la energía y la sostenibilidad. «.

Utilizando el efecto de avalancha de fotones para construir nanosensores

El equipo pudo construir estos nanosensores aprovechando el efecto de avalancha de fotones dentro de los nanocristales. En las nanopartículas de avalancha de fotones, descubiertas por primera vez por el grupo de Schuck en Columbia Engineering, la absorción de un solo fotón dentro de un material desencadena una reacción en cadena de eventos que finalmente conduce a la emisión de muchos fotones.

Entonces, se absorbe un fotón y se emiten muchos fotones. Es un proceso extremadamente no lineal y volátil que a Schuck le gusta describir como «absurdamente no lineal», jugando con la palabra «avalancha».

Los componentes ópticamente activos dentro de los nanocristales del estudio son iones atómicos de la fila de elementos lantánidos de la tabla periódica, también conocidos como elementos de tierras raras, que están dopados en el nanocristal. Para este artículo, el equipo utilizó tulio.

Los investigadores descubrieron que el proceso de avalancha de fotones es muy, muy sensible a varias cosas, incluido el espacio entre los iones de lantánido. Con esto en mente, tocaron algunas de sus nanopartículas de fotones avalanchas (ANP) con una punta de microscopía de fuerza atómica (AFM) y descubrieron que el comportamiento de avalancha se vio muy afectado por estas fuerzas suaves, mucho más de lo que jamás habían esperado.

«Lo descubrimos casi por accidente», afirma Schuck. «Sospechábamos que estas nanopartículas eran sensibles a la fuerza, por lo que medimos su emisión mientras las tocábamos. ¡Y resultaron ser mucho más sensibles de lo previsto! En realidad, al principio no lo creímos; pensamos que la punta podría tener una efecto diferente. Pero luego Natalie hizo todas las mediciones de control y descubrió que toda la respuesta se debía a esta extrema sensibilidad a la fuerza».

Sabiendo cuán sensibles eran las ANP, el equipo diseñó nuevas nanopartículas que responderían a las fuerzas de diferentes maneras. En un nuevo diseño, la nanopartícula cambia el color de su luminiscencia dependiendo de la fuerza aplicada. En otro diseño, fabricaron nanopartículas que no demuestran avalanchas de fotones en condiciones ambientales, pero que comienzan a avalancharse cuando se aplica fuerza; han resultado ser extremadamente sensibles a la fuerza.

Para este estudio, Schuck, Fardian-Melamed y otros miembros del equipo de nanoóptica de Schuck trabajaron en estrecha colaboración con un equipo de investigadores de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) dirigido por Emory Chan y Bruce Cohen. El equipo del laboratorio de Berkeley desarrolló ANP personalizados basándose en los comentarios de Columbia, sintetizando y caracterizando docenas de muestras para comprender y optimizar las propiedades ópticas de las partículas.

¿Qué sigue?

El equipo ahora pretende aplicar estos sensores de fuerza a un sistema importante donde pueden lograr un impacto significativo, como un embrión en desarrollo, como los estudiados por la profesora de ingeniería mecánica de Columbia, Karen Kasza. En el frente del diseño de sensores, los investigadores esperan agregar funcionalidad de autocalibración a los nanocristales, de modo que cada nanocristal pueda funcionar como un sensor independiente. Schuck cree que esto se puede hacer fácilmente añadiendo otra capa delgada durante la síntesis de nanocristales.

«La importancia de desarrollar nuevos sensores de fuerza fue subrayada recientemente por Ardem Patapoutian, premio Nobel de 2021 que enfatizó la dificultad en la investigación de procesos ambientalmente sensibles dentro de sistemas multiescala, es decir, en la mayoría de los procesos físicos y biológicos», señala Schuck.

«Estamos entusiasmados de ser parte de estos descubrimientos que transforman el paradigma de la detección, permitiendo mapear de manera sensible y dinámica cambios críticos en fuerzas y presiones en entornos del mundo real que actualmente son inalcanzables con las tecnologías actuales».