سنسورهای کوچک دانشگاه کلمبیا با حساسیت 100 برابری رباتیک و فناوری فضایی را متحول می‌کنند
محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا انواع جدیدی از سنسورهای نانومقیاس 'همه‌نوری' نیرو را ابداع کرده‌اند که با فشار یا کشش بر روی آنها، تغییر شدت یا رنگ می‌دهند. این می‌تواند به تولید خوانش‌های از راه دور و بدون نیاز به سیم‌ها یا اتصالات کمک کند، طبق گفته یک بیانیه مطبوعاتی.
نیروهای مکانیکی جزئی از فرآیندهای فیزیکی و زیستی هستند. اندازه‌گیری این نیروها به صورت از راه دور می‌تواند به کاربردهایی در زمینه‌هایی متنوع مانند رباتیک و بیوفیزیک سلولی کمک کند.
سنسورهای نیروی مکانیکی مبتنی بر نور قبلاً در مقیاس نانو برای اندازه‌گیری نیروهای پیکونیوتون (10 -12 N) و در مقیاس عادی برای اندازه‌گیری نیروهای میکرونیوتون (10 -6 N) توسعه یافته‌اند. با این حال، سنسورهایی که بتوانند در یک گستره دینامیکی وسیع اندازه‌گیری داشته باشند تا به حال توسعه نیافته‌اند.
تیمی از مهندسان دانشگاه کلمبیا به رهبری جیم شاک، به همراه گروه‌های کوهن و چن در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، سنسورهایی را با بزرگترین گستره دینامیکی در پروب‌های نانومقیاس توسعه دادند.
سنسورها چگونه ساخته شدند؟
محققان بر روی پژوهش‌های قبلی از آزمایشگاه شاک کار کرده‌اند، که یک اثر فوتون-آوالانچ درون نانوکریستال‌ها را کشف کرد. در این ذرات، جذب یک فوتون یک واکنش زنجیره‌ای را آغاز می‌کند که منجر به انتشار فوتون‌های بیشتری می‌شود.
این یک واکنش غیراطی‌خطی و به‌شدت فرار است که در داخل کریستال‌هایی که با عناصر خاکی نادر از ردیف لانتا‌نید از جدول تناوبی دوپ شده‌اند، رخ می‌دهد. برای این کار، شاک و همکارانش از تالیوم استفاده کردند.
محققان قبلاً دریافته بودند که فوتون-آوالانچ یک فرآیند بسیار حساس است. یکی از عوامل فراوانی که بر آن تأثیر می‌گذارد، فاصله بین یون‌های لانتا‌نید است. هنگامی که آنها نانوذرات فوتون-آوالانچ‌ها (ANPها) را با نوک‌های میکروسکوپ نیروی اتمی (AFP) بررسی کردند، مشاهده کردند که رفتار آوالانچی به شدت توسط نیروهای ملایم تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
سنسورها چگونه کار می‌کنند؟
با استفاده از این دانش درباره ANPs، محققان آزمایشگاه برکلی کمک به سنتز و شناسایی ده‌ها نمونه سفارشی ANP کردند و ویژگی‌های نوری آنها را بهینه‌سازی کردند.
تلاش مشترک محققان منجر به طراحی نوع‌های جدیدی از نانوذرات شد که رنگ لومینسانس آنها وابسته به نیروی اعمالی بود. در طراحی دیگری، تیم نانوذرات ساخت که در شرایط محیطی رفتار فوتون آوالانچ نشان نمی‌دادند اما پس از اعمال نیرو شروع به انجام آن کردند.
این سنسورها دارای دقت حساسیت نیروی 100 برابر بهتر از نانوذرات موجود و یک گستره عملیاتی با چهار مرتبه اندازه نیرو و 10-100 برابر بزرگتر از هر سنسور نوری دیگری که تا به حال موجود بوده است را دارند، براساس گفته بیانیه مطبوعاتی.
تیم اکنون می‌خواهد این سنسورها را در زمینه‌هایی که می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی داشته باشند، مانند مطالعه جنین در حال توسعه، استفاده کند. آنها همچنین قصد دارند یک قابلیت خودکالیبراسیون به نانوکریستال‌ها اضافه کنند تا بتوانند به عنوان سنسورهای مستقل عمل کنند.
«اهمیت توسعه سنسورهای نیروی جدید اخیراً توسط آردم پاتاپوتیان، برنده جایزه نوبل 2021، تأکید شد که به سختی در کاوش فرآیندهای حساس به محیط در سیستم‌های چند مقیاسی – یعنی در اکثر فرآیندهای فیزیکی و زیستی – اشاره کرد»، گفت شاک در یک بیانیه مطبوعاتی .
«ما از اینکه بخشی از این کشفیاتی هستیم که پارادایم احساس را تغییر می‌دهند و امکان حساس و دینامیکی نقشه‌برداری تغییرات بحرانی در نیروها و فشارها در محیط‌های واقعی را فراهم می‌کنند که در حال حاضر با فن‌آوری‌های امروزی غیرقابل‌دستیابی است، هیجان‌زده هستیم.»
یافته‌های پژوهشی در مجله Nature منتشر شده است.
