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標題: 科學家開發革命性奈米力傳感器 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2025-1-7 02:54 PM 標題: 科學家開發革命性奈米力傳感器

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　　科學家成功研發出全光學力感測奈米傳感器﹐這些發光奈米晶體能在受到壓力或拉力時改變其強度或顏色﹐僅需光作為探測工具即可進行遠端讀取﹐完全不需要連線或電纜。相比利用稀土離子進行光學回應的現有奈米粒子﹐新技術的靈敏度提升了100倍﹐且其運作範圍超過四個數量級的力﹐為現有光學奈米傳感器的10至100倍。
　　新傳感器首次實現了高解析度﹑多尺度功能整合﹐意味著可以僅使用一種傳感器﹐連續監測從亞細胞層級到整體系統層級的力學變化。例如﹐可用於研究胚胎發育﹑細胞遷移﹑電池性能或奈米機電系統(Nanoelectromechanical systems﹐NEMS)﹐這是一種通過電子電路控制奈米級結構運動的系統﹐或反之亦然。
　　哥倫比亞大學研究人員表示﹕「這一發現將徹底改變光學力傳感器的靈敏度和動態範圍﹐並即刻應用於從機器人技術到細胞生物物理學﹑醫學乃至太空探索等領域。」。研究人員強調﹕「這些力感測器的獨特之處﹐不僅在於其卓越的多尺度感測能力﹐還在於它們利用對生物相容﹑穿透性強的紅外光進行操作﹐使我們能深入觀察多種技術與生理系統並遠程監測其健康狀況。」。這些感測器預期能在早期檢測出系統異常或故障﹐對於人類健康﹑能源與永續發展領域具有深遠影響。
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　　研究團隊比較了各種光學力感測技術﹐包括半導體量子點(QD)﹑FRET(福斯特共振能量轉移)和微機電系統(MEMS)﹐並證明新型奈米粒子(ANPs)在力量動態範圍和感測器尺寸上表現更佳。這些粒子以摻有銩離子(Tm³⁺)的NaYF₄ 奈米晶體為基礎﹐結合內部電子能階﹑離子間距及振動模式的變化﹐能在不同外力作用下產生三種光學讀取方式﹕
　　　中等摻雜(4.5-8% Tm³⁺)﹕感測器的發光與激發光強度之間的關係高度非線性﹐外力越小﹐訊號變化越明顯﹐能精確觀察微小力量的影響。
　　　低摻雜(4% Tm³⁺)﹕感測器從「能量循環狀態」轉變為「光子雪崩狀態」﹐力量增加時發光大幅增強﹐非常靈敏。
　　　高摻雜(15% Tm³⁺)﹕在不同能階發光﹐且強度會隨外力變化不同比例﹐可用於精確比對外力大小。(圖／《自然》)
　　研究團隊利用奈米晶體內的光子雪崩效應建造了這些傳感器。光子雪崩奈米粒子(ANPs)中﹐單個光子的吸收會引發連鎖反應﹐最終導致多個光子的發射。該過程對奈米晶體內稀土離子的間距等因素高度敏感。
　　此次研究中﹐科學家選用的稀土元素是銩(Thulium)﹐並發現使用原子力顯微鏡(AFM)探針輕輕敲擊這些粒子後其光子雪崩行為受到的影響遠超預期。研究人員回憶道﹕「這一發現幾乎是意外所得。我們懷疑這些奈米粒子對力很敏感﹐因此測量了它們在受壓時的發光情況﹐結果它們的靈敏度超乎想像！」。
　　隨後﹐研究人員設計出兩種新型奈米粒子﹕
　力致顏色變化﹕隨外力大小改變其發光顏色。
　力觸發光子雪崩﹕在環境條件下不發生光子雪崩﹐但施加外力後開始雪崩﹐展現極高的力靈敏度。
　　研究團隊計畫將這些傳感器應用於具重大影響的系統中﹐例如監測多尺度系統中的環境敏感過程﹐正如2021年諾貝爾獎得主阿德姆·帕塔普廷(Ardem Patapoutian)強調的研究難題。研究人員表示﹕「我們很高興參與這項革命性發現能夠動態且精確地描繪真實環境中難以達到的關鍵力學與壓力變化。」。

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