新しい“All-optical”ナノスケール力センサを発見

June, 9, 2025, New York--フォトンアバランシュを発生するナノセンサは、これまで到達できなかった環境にアクセスし、ロボット工学から細胞生物物理学、医学、宇宙旅行までの技術を混乱させる可能性がある。
機械的な力は、多くの物理的および生物学的プロセスに不可欠な特徴である。高感度で空間分解能の高い機械信号のリモート計測は、ロボット工学から細胞生物物理学や医学、さらには宇宙旅行まで、幅広いアプリケーションにとって必要とされている。ナノスケールの発光力センサはピコニュートン力の測定に優れているが、より大きなセンサはマイクロニュートン力のプローブに強力であることが証明されている。しかし、地下や界面の部位から遠隔地から調査できる力の大きさには大きなギャップが残っており、多くのシステムを理解するために必要な広いダイナミックレンジで測定できる個々の非侵襲型センサはまだない。

新しい高応答ナノスケールの力センサ
Nature誌が発表した論文では、以下のメンバーが率いるチームが発表した。Colombia Engineering研究者や共同研究者たちは、新しいナノスケールの力のセンサを発明したと報告している。それらは発光性ナノ結晶であり、押したり引いたりすると強度や色が変わることがある。これらの「全光学的」ナノセンサは、光のみでプローブされるため、ワイヤや接続を必要とせず、完全にリモートで読み出すことができる。

研究者は、Jim Schuck, 准教授機械工学そしてNatalie Fardian-Melamedは、ローレンスバークレー国立研究所(Berkeley Lab)のCohen/Chanグループとともに、同様のナノプローブでこれまでに実現された中で最も感度の高い力応答と最大のダイナミックレンジの両方を達成したナノセンサを開発した。それらは、光学応答に希土類イオンを利用する既存のナノ粒子よりも100倍優れた力感度を持ち、力の4桁以上にわたる動作範囲、つまり以前のどの光学ナノセンサよりもはるかに広い範囲(10〜100倍)を持っている。

「われわれの発見は、光学式力センサで達成可能な感度とダイナミックレンジに革命をもたらし、ロボット工学から細胞生物物理学、医学、宇宙旅行まで、様々な分野の技術を即座に破壊することを期待している」(Schuck)。

新しいナノセンサは、これまでアクセス不可能な環境でも動作可能
今回開発したナノセンサは、同一ナノセンサで初めて高分解能・マルチスケール機能を実現した。これは、様々なクラスのセンサではなく、このナノセンサーだけで、発生中の胚、移動する細胞、バッテリー、またはナノメートルスケールの構造の物理的運動が電子回路によって制御される非常に感度の高いナノ電気機械システムである統合NEMSなどの工学的および生物学的システムにおける細胞内レベルからシステム全体レベルまでの力の継続的な研究に使用できることを意味するため、重要である。 またはその逆でもある。

「これらの力センサの特徴は、比類のないマルチスケールセンシング機能に加えて、良性で生体適合性があり、深く浸透する赤外線で動作することだ。これにより、様々な技術的および生理学的システムを深く覗き込み、遠くから健康状態を監視することができる。これらのシステムの誤動作や故障の早期検出を可能にするこれらのセンサは、人間の健康からエネルギー、持続可能性に至るまでの分野に大きな影響を与えると考えられる」とFardian-Melamedはコメントしている。

フォトン-アバランシェ効果を利用したナノセンサ構築
チームは、ナノ結晶内の光子アバランシェ効果を利用して、これらのナノセンサを構築することができた。Schuckグループが最初に発見した光子アバランシェングナノ粒子では、材料内の単一光子の吸収がイベントの連鎖反応を引き起こし、最終的に多くの光子が放出される。つまり、1つの光子が吸収され、多くの光子が放出される。これは、Schuckが「アバランシュ」という言葉をもじって「急な非線形」と表現したがる、極めて非線形で不安定なプロセスである。

この研究のナノ結晶内の光学活性成分は、周期表のランタノイド列の元素(希土類元素とも呼ばれる)からの原子イオンであり、ナノ結晶にドープされている。この論文では、チームはツリウムを使用した。

チームが驚くべき観察結果を調査
研究チームは、光子アバランチングプロセスが、ランタノイドイオン間の間隔などを含め、いくつかのことに非常に敏感であることを発見した。このことを念頭に置いて、チームは原子間力顕微鏡(AFM)の先端で光子アバランシュナノ粒子(ANPs)の一部を利用し、アバランシュの挙動がこれらの穏やかな力によって大きく影響を受けることを発見した。

「これはほとんど偶然に発見した。これらのナノ粒子は力に敏感であると考えられていたため、ナノ粒子をタップしながら発光を測定した。さらに、それらは予想よりもはるかに敏感であることが判明した!実は最初は信じられなかった。その先端が違う効果を発揮しているのではないかと考えた。しかし、その後、Natalieはすべての制御測定を行い、その反応がすべてこの極端な力感度によるものであることを発見した」(Schuck)。

ANPsの感度がどれほど高いかを知っていたチームは、次に、様々な方法で力に応答する新しいナノ粒子を設計した。1つの新しい設計では、ナノ粒子は加えられた力に応じてその発光色を変える。別の設計では、周囲条件下では光子アバランシュを示さないナノ粒子を作ったが、力が加えられるとアバランシュが起こり始める–これらは力に非常に敏感であることが判明した。

次のステップ
チームは現在、これらの力センサを、コロンビア大学の機械工学教授であるKaren Kaszaが研究しているような、発生中の胚など、大きな影響を与えることができる重要なシステムに適用することを目指している。センサ設計の面では、研究チームは、ナノ結晶に自己較正機能を追加して、各ナノ結晶がスタンドアロンのセンサとして機能することを望んでいる。Schuckは、ナノ結晶合成中に別の薄いシェルを追加することで、これは簡単に実現できると考えている。