Sensores luminescentes medem força usando apenas luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/01/2025

A medição remota de força é útil em inúmeras aplicações, dos sistemas biológicos aos sistemas de engenharia.
[Imagem: Gerado por IA/Gemini]

Sensores de força

Cientistas da Universidade de Colúmbia, nos EUA, desenvolveram um sensor capaz de medir forças mecânicas usando apenas luz.

"Esperamos que a nossa descoberta revolucione as sensibilidades e a faixa dinâmica alcançáveis com sensores ópticos de força e abra imediatamente o caminho para tecnologias em áreas que vão da robótica à biofísica celular e da medicina às viagens espaciais," disse o professor Jim Schuck.

A força mecânica é uma característica essencial de muitos processos físicos e biológicos, de modo que a medição sem contato de sinais mecânicos é necessária para uma ampla gama de aplicações. Já existem sensores de força luminescentes em nanoescala, que operam na faixa dos piconewtons (10^-12 newtons), e sensores maiores de capazes de fazer medições de forças na casa dos micronewtons (10^-6 newtons).

Ou seja, as soluções tecnológicas atuais em termos de sensores de força mecânica cobrem janelas pequenas, deixando grandes lacunas nas magnitudes das forças que podem ser sondadas remotamente, e nenhum sensor individual e não invasivo foi ainda capaz de fazer medições na grande faixa dinâmica necessária para compreender muitos sistemas.

E é justamente aí que entram os novos sensores ópticos de força.

Ilustração do arranjo atômico dentro de um único nanocristal dopado com lantanídeos - cada íon lantanídeo é uma fonte emissora de luz.
[Imagem: Andrew Mueller/Columbia Engineering]

Sensor de força sem contato

Os novos sensores de força em nanoescala são nanocristais luminescentes que mudam de intensidade e/ou de cor quando você os empurra ou puxa, ou seja, quando eles são submetidos a uma tensão mecânica. Eles são sensores do tipo totalmente ópticos, ou seja, são sondados apenas medindo a luz que emitem e, portanto, permitem leituras totalmente remotas - não são necessários fios ou conexões.

Os protótipos alcançaram a resposta de força mais sensível e a maior faixa dinâmica já obtida em nanossondas sem contato. Os sensores têm uma sensibilidade à força 100 vezes melhor do que as nanopartículas existentes, que utilizam íons de terras raras, e um alcance operacional que abrange mais de quatro ordens de magnitude em força, um alcance muito maior - de 10 a 100 vezes maior - do que qualquer nanossensor óptico anterior.

Isso os torna adequados para uma ampla gama de aplicações que exijam o estudo contínuo de forças, desde o nível subcelular até o nível integral de sistemas biológicos e de engenharia, como embriões em desenvolvimento, células migratórias, baterias ou NEMS integrados, sistemas nanoeletromecânicos muito sensíveis nos quais o movimento físico de uma estrutura em escala nanométrica é controlada por um circuito eletrônico, ou vice-versa.

"O que torna esses sensores de força únicos - além de suas capacidades de detecção multiescala incomparáveis - é que eles operam com luz infravermelha benigna, biocompatível e profundamente penetrante," disse a pesquisadora Natalie Fardian-Melamed. "Isso permite examinar profundamente vários sistemas tecnológicos e fisiológicos e monitorar sua saúde à distância. Permitindo a detecção precoce de mau funcionamento ou falha nesses sistemas, esses sensores terão um impacto profundo em áreas que vão da saúde humana à energia e sustentabilidade."

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