在科技探索的前沿领域，力的精确测量对于众多物理和生物过程的理解及应用至关重要。从微观的细胞迁移、生物分子相互作用，到宏观的机器人操作、能源存储系统监测，都需要高灵敏度和高分辨率的力传感器来揭示其中的奥秘。
据麦姆斯咨询报道，近日，由美国哥伦比亚大学（Columbia University）、俄勒冈州立大学（Oregon State University）、劳伦斯伯克利美国国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）和犹他大学（The University of Utah）组成的科研团队成功研发出一种能够远程检测皮牛到微牛的红外纳米传感器，为相关领域的研究与应用带来了全新的契机。这项研究以“Infrared nanosensors of piconewton to micronewton forces”为题发表在Nature期刊上。
传统的力测量方法在面对复杂系统和微小尺度环境时往往存在局限性。例如，宏观的力学测量手段难以捕捉纳米尺度下的细微力变化，而现有的纳米级力传感器在动态范围和测量精度上也难以满足多样化的需求。在这种背景下，科研团队将目光聚焦于雪崩纳米粒子（ANP），试图挖掘其在力传感领域的巨大潜力。
图1 基于光子雪崩的纳米级力传感器
ANP是一类基于镧系元素掺杂的上转换纳米晶体，具有独特的光学性质。在本次研究中，科研人员选用掺杂的ANP作为核心材料。这些纳米粒子能够吸收近红外光并发射出高能光子，且在发光过程中展现出极为显著的非线性特性，其量子产率可高达 45%。更为关键的是，它们不受样品自发荧光的干扰，在长时间的激光照射或单粒子激发下，也不会出现闪烁和光漂白现象，这为高精度的力测量提供了坚实的基础。
为了深入探究这些ANP的力传感能力，科研团队采用了原子力显微镜（AFM）与单纳米粒子光谱学相结合的创新实验方法。在实验过程中，他们惊喜地发现，当使用AFM探针对ANP施加微小的力时，其光子雪崩过程会发生显著变化。通过精确测量单个ANP在不同力作用下的发射光谱和强度，科研人员绘制出了详细的力-光学响应曲线。
图2 单个ANP的光力传感超过四个数量级
研究结果令人振奋不已。这种新型传感器能够检测到低至620 pN的微小力，在较高泵浦强度下，其力检测上限可达到1.7 μN，动态范围跨越了四个数量级以上。这一突破意味着它能够胜任从生物分子间微弱的相互作用力到微观机械系统中相对较大的作用力测量任务，填补了现有光学纳米传感器在力测量范围上的关键空白。
科研团队还进一步探索了不同的力传感模式。他们发现，通过巧妙地调控的浓度，可以实现多种独特的传感机制。例如，在较低浓度的掺杂的预-ANP中，当施加一定的力时，这些纳米粒子能够从能量循环状态转变为光子雪崩状态，从而实现发射强度的大幅增强，这种机械增亮现象使得传感器能够以极高的灵敏度检测到475 pN至400 nN范围内的力。
图3 预-ANP对ANP机械增亮的敏感性和可循环性
此外，对于高浓度的掺杂的压电变色ANP，其在受力时会呈现出双波长比率变化的机械变色特性。具体而言，800 nm和 700 nm发射波长的强度比会随着所施加力的变化而发生规律性改变，这种变化不受环境干扰的影响，为在复杂环境下的高精度力测量提供了可靠保障，能够有效检测单数字纳米牛顿级的力。
图4 双波长ANP的比率机械变色
这一科研成果的意义深远而重大。在生物医学领域，它将为深入研究细胞内分子间的力学相互作用、细胞迁移和分化过程中的力学机制提供前所未有的工具，有助于揭示生命活动的基本物理过程，为疾病的早期诊断和治疗提供新的思路。在纳米技术和材料科学方面，能够助力精确测量纳米材料的力学性能，推动纳米机电系统的发展，优化纳米材料在微纳制造、传感器和执行器等领域的应用。
展望未来，科研团队表示将继续深入研究和优化这种红外纳米传感器，进一步提高其性能和稳定性，并探索其在更多领域的潜在应用。相信随着这一技术的不断完善和推广，必将在众多学科和行业引发新一轮的创新浪潮，为人类对微观世界的探索和工程技术的进步注入强大动力。
