النانو والفوتونات .. تقنية جديدة لقياس القوة دون تلامس

تم تطوير أجهزة استشعار نانوية مبتكرة قادرة على اكتشاف القوى الميكانيكية بحساسية عالية ونطاق واسع من قِبَل الباحثين، حيث تستجيب هذه المستشعرات المصنوعة من بلورات نانوية مضيئة للقوة عن طريق تغيير شدتها أو لونها.

ويمكن إجراء القياسات عن بعد باستخدام الضوء فقط، مما يلغي الحاجة إلى الأسلاك أو التوصيلات المادية، وتمتد التطبيقات المحتملة لهذه المستشعرات من الروبوتات إلى الفيزياء الحيوية والطب واستكشاف الفضاء، مما يمثل اختراقًا في الاستشعار عن بعد للإشارات الميكانيكية عبر مقاييس مختلفة.

ووفقًا لدراسة نُشرت في مجلة Nature، تستخدم أجهزة الاستشعار النانوية هذه تأثير الفوتون المتساقط لتحقيق قدراتها المذهلة، وتعمل هذه العملية، التي تنطوي على أيونات أرضية نادرة مثل الثوليوم، على تضخيم امتصاص فوتون واحد إلى سلسلة من الفوتونات المنبعثة.

واكتشف الفريق، بقيادة جيم شوك، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة كولومبيا، أن استجابة الجسيمات النانوية للقوة الميكانيكية تجاوزت التوقعات الأولية، وبحسب التقرير فإن الحساسية الشديدة التي لوحظت أثناء الاختبارات كانت مفاجئة وتحويلية لتقنيات قياس القوة.

وتعمل المستشعرات باستخدام الأشعة تحت الحمراء، الذي يخترق بعمق في الأنظمة مع الحفاظ على التوافق الحيوي، وسلطت ناتالي فارديان ميلاميد، باحثة ما بعد الدكتوراه، الضوء على فائدتها في مراقبة الأنظمة التكنولوجية والبيولوجية، مما يساعد في الكشف المبكر عن الأعطال.

وعلى عكس الطرق السابقة التي تتطلب أجهزة متعددة، يمكن لهذه المستشعرات أن تعمل عبر المقاييس - من التفاعلات دون الخلوية إلى الأنظمة الأكبر مثل الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS) أو تطوير الأجنة.

التطورات المستقبلية

وهناك جهود جارية لتوسيع قدرات المستشعرات، بما في ذلك ميزات المعايرة الذاتية، ويهدف الفريق إلى تنفيذ التكنولوجيا في مجالات مؤثرة، مثل مراقبة التطور الجيني، وأشار شوك إلى أهمية ابتكار أدوات لاستكشاف القوى داخل البيئات المعقدة، بما يتماشى مع التحديات التي أكدها الحائز على جائزة نوبل أرديم باتابوتيان في فهم الأنظمة متعددة المقاييس.

ومن المتوقع أن يعمل هذا الاختراق على تعزيز البحث والتطبيقات في مجالات متنوعة، مما يوفر رؤى لا مثيل لها في ديناميكيات القوة الميكانيكية.