La fuerza mecánica es una característica esencial de 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 robótica hasta biofísica celular y medicina e incluso 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 medir fuerzas de micronewton. Sin embargo, quedan grandes lagunas en la magnitud de las fuerzas que se pueden medir de forma remota desde el subsuelo o desde sitios interfaciales, y ningún sensor individual no invasivo puede medir todavía el gran rango dinámico necesario para comprender muchos sistemas.
Nuevos sensores de fuerza a nanoescala de alta capacidad de respuesta
En un artículo publicado hoy por la naturaleza, Un equipo dirigido por investigadores y colaboradores de Columbia Engineering informa que han inventado nuevos sensores de fuerza a nanoescala. Son nanocristales brillantes que pueden cambiar de intensidad y/o color cuando los presionas o estiras. Estos nanosensores “totalmente ópticos” solo sondean con luz y, por lo tanto, permiten una lectura completamente remota, sin necesidad de cables ni conexiones.
Los investigadores, dirigidos por Jim Schick, profesor asociado de ingeniería mecánica, y la becaria postdoctoral Natalie Fardin Melmid en su grupo, junto con los grupos Cohen y Chan del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), desarrollaron nanosensores que lograron ambas cosas. La respuesta de fuerza más sensible y el mayor rango dinámico jamás realizado. nanosondas. 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, un rango mucho mayor (entre 10 y 100 veces mayor) que cualquier otro anterior. nanosensor óptico.
“Esperamos que nuestro descubrimiento revolucione la sensibilidad y el rango dinámico logrado con los sensores de fuerza ópticos, y tenga implicaciones inmediatas para tecnologías en campos que van desde la robótica hasta la biofísica celular y la medicina hasta los viajes espaciales. Será disruptivo”, dice Schuck.
Los nuevos nanosensores pueden funcionar en entornos que antes eran inaccesibles.
Los nuevos nanosensores logran por primera vez una funcionalidad multiescala de alta resolución con el mismo nanosensor. Esto es importante porque significa que este nanosensor por sí solo, en lugar de un conjunto de sensores diferentes, se puede utilizar para estudiar continuamente fuerzas, desde las subcelulares hasta el sistema completo, en sistemas biológicos y de ingeniería, como el desarrollo fetal. Células migratorias, baterías o NEMS integrados, sistemas nanoelectromecánicos de alta sensibilidad en los que el movimiento físico está controlado por un circuito electrónico de estructura a escala nanométrica, o viceversa.
“Lo que hace que estos sensores de fuerza sean únicos, además de sus incomparables capacidades de detección multiescala, es que funcionan con luz infrarroja benigna, biocompatible y profundamente penetrante”, dice Fardian Melmid. “Esto permite observar profundamente varios sistemas técnicos y físicos y monitorear de forma remota su salud. Al permitir la detección temprana de fallas o mal funcionamiento en estos sistemas, estos sensores que van desde la salud humana tendrán un profundo impacto en sectores que van desde la energía y la sostenibilidad. “
Utilizando el efecto fotón-hielo para crear nanosensores
El equipo pudo crear estos nanosensores aprovechando el efecto fotón-hielo dentro de los nanocristales. En las nanopartículas de hielo de fotones, descubiertas por primera vez por el grupo de Schick en Columbia Engineering, la absorción de un solo fotón dentro de un material desencadena una reacción en cadena que eventualmente conduce a la emisión de muchos más fotones. Entonces: se absorbe un fotón, se emiten muchos fotones. Se trata de un proceso altamente no lineal y fluctuante que a Schuck le gusta describir como “absurdamente no lineal”, un juego de palabras 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, dopados en los nanocristales. Para este artículo, el equipo utilizó tulio.
El equipo investiga la sorprendente observación.
Los investigadores descubrieron que el proceso de avalancha de fotones es muy sensible a muchas cosas, incluido el espacio entre los iones lantánidos. Con esto en mente, golpearon algunas de sus nanopartículas potenciadoras de fotones (ANP) con una punta de microscopía de fuerza atómica (AFM) y descubrieron que el comportamiento de la avalancha se vio muy afectado por estas fuerzas blandas, mucho más de lo que esperaban.
“Lo descubrimos casi por casualidad”, afirma Schuck. “Sospechábamos que estas nanopartículas eran sensibles a la fuerza, así que medimos su emisión mientras las tocábamos. ¡Y resultaron ser mucho más sensibles de lo esperado! En realidad, al principio no lo creímos; pensamos que podría haber algo que la punta. Pero luego Natalie hizo todas las mediciones de control y descubrió que la respuesta se debía a esta extrema sensibilidad de potencia”.
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 luz dependiendo de la fuerza aplicada. En otro diseño, crearon nanopartículas que no exhiben avalanchas de fotones en condiciones ambientales, pero comienzan a formar una bola de nieve cuando se aplica fuerza, lo que resulta ser muy sensible a la fuerza.
Para este estudio, Schuck, Fardian-Melamed y otros miembros del equipo de nanoóptica de Schuck trabajaron 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 basados en la retroalimentación de Columbia, sintetizando y caracterizando docenas de muestras para comprender y mejorar las propiedades ópticas de las partículas.
¿Qué sigue?
El equipo ahora quiere aplicar estos sensores de fuerza a un sistema crítico donde puedan capturar efectos importantes, como un embrión en desarrollo, como lo estudió la profesora de ingeniería mecánica de Columbia, Karen Casa. En cuanto al diseño de sensores, los investigadores esperan incorporar una funcionalidad de autocalibración en los nanocristales, de modo que cada nanocristal pueda actuar 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 destacada recientemente por el premio Nobel de 2021 Ardem Petapotyan, quien enfatizó la dificultad de investigar procesos ambientalmente sensibles dentro de sistemas de múltiples escalas, es decir, principalmente procesos físicos y biológicos. (Nature Reviews Mol. Cell Biol. 18, 771 (2017)), “Sci. “Estamos entusiasmados de ser parte de descubrimientos que cambian el paradigma de detección, permitiendo mapear de manera sensible y dinámica cambios significativos en fuerzas y presiones en entornos del mundo real que hoy en día con tecnologías actualmente inaccesibles.
