新型纳米级力传感器问世，有望带来多领域变革

来自哥伦比亚大学工程学院的研究团队在《自然》杂志发表论文，介绍了他们发明的新型纳米级力传感器。

一、研究背景与现有传感器局限

机械力在诸多物理和生物过程中至关重要，像机器人、细胞生物物理学、医学乃至太空旅行等众多领域，都需要高灵敏度、高分辨率的远程机械信号测量。当前，纳米级发光力传感器测皮牛级力表现佳，大尺寸传感器测微牛级力功效显著，但在远程探测力的量级方面存在较大空缺，且尚无单个非侵入式传感器能满足众多系统所需的大动态范围测量要求。

二、新型纳米传感器的特点与优势

1. 全光学且远程可读：这种发光纳米晶体的 “全光学” 纳米传感器，受外力推或拉时，能改变发光强度或颜色，仅靠光探测就能实现远程读取，无需电线连接。

2. 高灵敏度与大动态范围：由吉姆・舒克、娜塔莉・法尔迪安 - 梅拉梅德等人领导研发的该传感器，力灵敏度比利用稀土离子实现光学响应的现有纳米粒子高出 100 倍，力的可操作范围跨越四个数量级以上，比以往光学纳米传感器大 10 到 100 倍。

3. 多尺度功能与独特工作方式：首次实现同一纳米传感器具备高分辨率、多尺度功能，可用于研究工程和生物系统（如胚胎、细胞、电池、纳机电系统等）从亚细胞到整个系统层面的力。其利用红外光工作，生物相容性好、穿透性强，能深入观测各类系统并远程监测健康状况，利于早期检测故障，对多领域影响深远。

三、利用光子雪崩效应构建及相关发现

该团队利用纳米晶体中的光子雪崩效应构建传感器。光子雪崩纳米粒子中，单个光子吸收会引发连锁反应，最终发射多个光子。其光学活性成分是镧系元素（稀土元素）的原子离子，此次研究用的是铥元素。研究人员发现光子雪崩过程对镧系离子间距等因素敏感，用原子力显微镜探针轻触光子雪崩纳米粒子时，发现其雪崩行为受外力影响远超预期，随后据此设计出不同响应外力的新型纳米粒子，比如有的会随外力改变发光颜色，有的常温常压下无雪崩现象、受力后才产生雪崩且对外力极其敏感。

四、合作与成果优化

在研究中，哥伦比亚大学团队与劳伦斯伯克利国家实验室的团队紧密合作，伯克利实验室团队按反馈合成并表征数十个样本，优化粒子光学特性。

五、下一步计划

团队打算将力传感器应用到如发育胚胎这类重要系统中，产生更大影响。同时，希望在纳米晶体合成时添加薄壳，使其具备自校准功能，让每个纳米晶体都能独立发挥传感器作用。正如舒克所言，新型力传感器研发意义重大，这次的发现有望改变传感范式，助力人们探测当下技术难以触及的现实环境中力和压力的关键变化。