النانو والفوتونات .. تقنية جديدة لقياس القوة دون تلامس

قام الباحثون بتطوير أجهزة استشعار نانوية مبتكرة قادرة على اكتشاف القوى الميكانيكية بحساسية عالية ونطاق واسع. تستجيب هذه المستشعرات، المصنوعة من البلورات النانوية المضيئة، للقوة عن طريق تغيير شدتها أو لونها.

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

وفقا لدراسة نشرت في مجلة Nature، تستخدم أجهزة الاستشعار النانوية هذه تأثير الفوتون الحادث لتحقيق قدراتها المذهلة. تعمل هذه العملية، التي تتضمن أيونات أرضية نادرة مثل الثوليوم، على تضخيم امتصاص فوتون واحد إلى سلسلة من الفوتونات المنبعثة.

اكتشف الفريق، بقيادة جيم شوك، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة كولومبيا، أن استجابة الجسيمات النانوية للقوة الميكانيكية تجاوزت التوقعات الأولية. ووفقا للتقرير، كانت الحساسية الشديدة التي لوحظت خلال الاختبارات مفاجئة وتحويلية لتقنيات قياس القوة.

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

على عكس الطرق السابقة التي تتطلب أجهزة متعددة، يمكن لهذه المستشعرات العمل عبر المقاييس – بدءًا من التفاعلات دون الخلوية وحتى الأنظمة الأكبر مثل الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS) أو تطوير الأجنة.

التطورات المستقبلية

وتجري الجهود لتوسيع قدرات أجهزة الاستشعار، بما في ذلك ميزات المعايرة الذاتية، ويهدف الفريق إلى تطبيق التكنولوجيا في المجالات المؤثرة، مثل مراقبة التطور الجيني. وأشار شوك إلى أهمية إنشاء أدوات لاستكشاف القوى ضمن بيئات معقدة، بما يتماشى مع التحديات التي أبرزها الحائز على جائزة نوبل. إرديم باتابوتيان حول فهم الأنظمة متعددة النطاق.

ومن المتوقع أن يؤدي هذا الإنجاز إلى تطوير الأبحاث والتطبيقات في مجالات متنوعة، مما يوفر رؤى لا مثيل لها في ديناميكيات القوة الميكانيكية.