Nyt NIST-projekt til at bygge nano-termometre kan revolutionere temperaturbilleddannelse

Billigere køleskabe? Stærkere hofteimplantater? En bedre forståelse af menneskelig sygdom? Alt dette kunne være muligt og mere til, en skønne dag, takket være et ambitiøst nyt projekt i gang på National Institute of Standards and Technology (NIST).

NIST-forskere er i de tidlige stadier af et massivt arbejde med at designe og bygge en flåde af bittesmå ultrafølsomme termometre. Hvis det lykkes, deres system vil være det første til at foretage realtidsmålinger af temperatur på mikroskopisk skala i et uigennemsigtigt 3-D volumen - som kunne omfatte medicinske implantater, køleskabe, og endda den menneskelige krop.

Projektet hedder Thermal Magnetic Imaging and Control (Thermal MagIC), og forskerne siger, at det kan revolutionere temperaturmålinger på mange områder:biologi, medicin, kemisk syntese, køling, bilindustrien, plastproduktion - "stort set overalt spiller temperatur en afgørende rolle, " sagde NIST-fysiker Cindi Dennis. "Og det er overalt."

NIST-teamet er nu færdig med at bygge deres tilpassede laboratorierum til dette unikke projekt og har påbegyndt den første store fase af eksperimentet.

Thermal MagIC vil fungere ved at bruge objekter på nanometerstørrelse, hvis magnetiske signaler ændres med temperaturen. Genstandene ville blive inkorporeret i de væsker eller faste stoffer, der studeres - den smeltede plastik, der kan bruges som en del af en kunstig lederstatning, eller den flydende kølevæske recirkuleres gennem et køleskab. Et fjernmålingssystem vil så opfange disse magnetiske signaler, hvilket betyder, at systemet, der undersøges, ville være fri for ledninger eller andre omfangsrige eksterne genstande.

Det endelige produkt kunne foretage temperaturmålinger, der er 10 gange mere præcise end avancerede teknikker, erhvervet på en tiendedel af tiden i et bind 10, 000 gange mindre. Dette svarer til målinger, der er nøjagtige inden for 25 millikelvin (tusindedele af en kelvin) på så lidt som en tiendedel af et sekund, i et volumen kun hundrede mikrometer (milliontedele af en meter) på en side. Målingerne ville være "sporbare" til det internationale system af enheder (SI); med andre ord, dens aflæsninger kunne relateres nøjagtigt til den grundlæggende definition af kelvin, verdens grundlæggende temperaturenhed.

Systemet sigter mod at måle temperaturer i området fra 200 til 400 kelvin (K), hvilket er omkring -99 til 260 grader Fahrenheit (F). Dette ville dække de fleste potentielle applikationer - i det mindste dem, som Thermal MagIC-teamet forestiller sig, vil være mulige inden for de næste 5 år. Dennis og hendes kolleger ser potentiale for et meget større temperaturområde, strækker sig fra 4 K-600 K, som ville omfatte alt fra superkølede superledere til smeltet bly. Men det er ikke en del af de nuværende udviklingsplaner.

"Dette er en stor nok havændring til, at vi forventer, at hvis vi kan udvikle den - og vi har tillid til, at vi kan - vil andre tage den og virkelig løbe med den og gøre ting, som vi i øjeblikket ikke kan forestille os, " sagde Dennis.

Potentielle anvendelser er for det meste inden for forskning og udvikling, men Dennis sagde, at stigningen i viden sandsynligvis ville sive ned til en række forskellige produkter, muligvis inklusive 3-D printere, køleskabe, og medicin.

Hvad er det godt for?

Uanset om det er termostaten i din stue eller et højpræcisionsstandardinstrument, som forskerne bruger til laboratoriemålinger, de fleste termometre, der bruges i dag, kan kun måle relativt store områder - på et makroskopisk i modsætning til mikroskopisk niveau. Disse konventionelle termometre er også påtrængende, kræver, at sensorer trænger ind i systemet, der måles, og forbindes til et udlæsningssystem ved hjælp af omfangsrige ledninger.

Infrarøde termometre, såsom pandeinstrumenter, der bruges på mange lægekontorer, er mindre påtrængende. Men de laver stadig kun makroskopiske målinger og kan ikke se under overflader.

Thermal MagIC burde lade forskerne komme uden om begge disse begrænsninger, sagde Dennis.

Ingeniører kunne bruge Thermal MagIC til at studere, for første gang, hvordan varmeoverførsel sker inden for forskellige kølemidler på mikroskalaen, som kunne hjælpe deres søgen efter at finde billigere, mindre energikrævende køleanlæg.

Læger kunne bruge Thermal MagIC til at studere sygdomme, hvoraf mange er forbundet med temperaturstigninger - et kendetegn for betændelse - i bestemte dele af kroppen.

Og producenter kunne bruge systemet til bedre at kontrollere 3D-printmaskiner, der smelter plastik til at bygge specialfremstillede objekter såsom medicinske implantater og proteser. Uden evnen til at måle temperatur på mikroskala, 3-D-printudviklere mangler afgørende information om, hvad der foregår inde i plastikken, når den størkner til en genstand. Mere viden kunne forbedre styrken og kvaliteten af ​​3-D-printede materialer en dag, ved at give ingeniører mere kontrol over 3-D printprocessen.

Giver It OOMMF

Det første trin i at lave dette nye termometrisystem er at skabe magneter i nanostørrelse, der vil afgive stærke magnetiske signaler som reaktion på temperaturændringer. For at holde partikelkoncentrationerne så lave som muligt, magneterne skal være 10 gange mere følsomme over for temperaturændringer end nogen genstande, der findes i øjeblikket.

For at få den slags signaler, Dennis sagde, forskere bliver sandsynligvis nødt til at bruge flere magnetiske materialer i hvert nanoobjekt. En kerne af et stof vil være omgivet af andre materialer som lagene af et løg.

Problemet er, at der er praktisk talt uendelige kombinationer af egenskaber, der kan justeres, herunder materialernes sammensætning, størrelse, form, antallet og tykkelsen af ​​lagene, eller endda antallet af materialer. At gennemgå alle disse potentielle kombinationer og teste hver enkelt for deres effekt på objektets temperaturfølsomhed kan tage flere levetider at opnå.

For at hjælpe dem med at komme dertil på måneder i stedet for årtier, holdet henvender sig til sofistikeret software:Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), et meget brugt modelleringsprogram udviklet af NIST-forskerne Mike Donahue og Don Porter.

Thermal MagIC-teamet vil bruge dette program til at skabe en feedback-loop. NIST kemikere Thomas Moffat, Angela Hight Walker og Adam Biacchi vil syntetisere nye nanoobjekter. Derefter vil Dennis og hendes team karakterisere genstandenes egenskaber. Og endelig, Donahue vil hjælpe dem med at indlæse den information i OOMMF, som vil komme med forudsigelser om, hvilke kombinationer af materialer de skal prøve næste gang.

"Vi har nogle meget lovende resultater fra siden af ​​magnetiske nanoobjekter, men vi er ikke helt der endnu " sagde Dennis.

Hver hund er en Voxel

Så hvordan måler de de signaler, der udsendes af små koncentrationer af nanotermometre inde i et 3D-objekt som reaktion på temperaturændringer? De gør det med en maskine kaldet en magnetisk partikelafbildning (MPI), som omgiver prøven og måler et magnetisk signal, der kommer fra nanopartiklerne.

Effektivt, de måler ændringer i det magnetiske signal, der kommer fra et lille volumen af ​​prøven, kaldet en "voxel" - dybest set en 3-D pixel - og scan derefter gennem hele prøven en voxel ad gangen.

Men det er svært at fokusere et magnetfelt, sagde NIST-fysiker Solomon Woods. Så de når deres mål omvendt.

Overvej en metafor. Sig du har en hundegård, og du vil måle, hvor højt hver enkelt hund gøer. Men du har kun én mikrofon. Hvis flere hunde gøer på én gang, din mikrofon vil opfange al den lyd, men med kun én mikrofon vil du ikke være i stand til at skelne en hunds gøen fra en andens.

Imidlertid, hvis du kunne stille hver hund på en eller anden måde - måske ved at besætte dens mund med en knogle - bortset fra en enkelt cocker spaniel i hjørnet, så ville din mikrofon stadig opfange alle lydene i rummet, men den eneste lyd ville være fra cocker spanielen.

I teorien, du kunne gøre dette med hver hund i rækkefølge - først cocker spanielen, så mastiffen ved siden af, derefter labradoodle næste i rækken - hver gang efterlader kun én hund knoglefri.

I denne metafor, hver hund er en voxel.

I bund og grund, forskerne maksimerer evnen af ​​alle undtagen et lille volumen af ​​deres prøve til at reagere på et magnetfelt. (Dette svarer til at fylde hver hunds mund med en lækker knogle). måling af ændringen i magnetisk signal fra hele prøven lader dig effektivt måle netop det ene lille afsnit.

MPI-systemer, der ligner dette, findes, men er ikke følsomme nok til at måle den slags lille magnetiske signal, der ville komme fra en lille ændring i temperaturen. Udfordringen for NIST-teamet er at booste signalet markant.

"Vores instrumentering minder meget om MPI, men da vi skal måle temperatur, ikke kun måle tilstedeværelsen af ​​et nanoobjekt, vi er i bund og grund nødt til at øge vores signal-til-støj-forhold over MPI med tusind eller 10, 000 gange, " sagde Woods.

De planlægger at booste signalet ved hjælp af state-of-the-art teknologier. For eksempel, Woods kan bruge superledende kvanteinterferensenheder (SQUID'er), kryogene sensorer, der måler ekstremt subtile ændringer i magnetiske felter, eller atommagnetometre, som registrerer, hvordan atomers energiniveau ændres af et eksternt magnetfelt. Woods arbejder på, hvilke der er bedst at bruge, og hvordan man integrerer dem i detektionssystemet.

Den sidste del af projektet er at sikre, at målingerne kan spores til SI, et projekt ledet af NIST-fysiker Wes Tew. Det vil indebære måling af nanotermometres magnetiske signaler ved forskellige temperaturer, der samtidig måles af standardinstrumenter.

Andre vigtige NIST-teammedlemmer inkluderer Thinh Bui, Erik Rus, Brianna Bosch Correa, Mark Henn, Eduardo Correa og Klaus Quelhas.

Inden de afslutter deres nye laboratorieplads, forskerne var i stand til at fuldføre noget vigtigt arbejde. I et papir offentliggjort i sidste måned i International Journal on Magnetic Particle Imaging , gruppen rapporterede, at de havde fundet og testet et "lovende" nanopartikelmateriale lavet af jern og kobolt, med temperaturfølsomheder, der varierede på en kontrollerbar måde afhængig af, hvordan holdet forberedte materialet. Tilføjelse af et passende skalmateriale til at omslutte denne nanopartikel "kerne" ville bringe holdet tættere på at skabe en fungerende temperaturfølsom nanopartikel til Thermal MagIC.

I de sidste par uger, forskerne har gjort yderligere fremskridt med at teste kombinationer af materialer til nanopartiklerne.

"På trods af udfordringen ved at arbejde under pandemien, vi har haft nogle succeser i vores nye laboratorier, " sagde Woods. "Disse resultater inkluderer vores første synteser af flerlags nanomagnetiske systemer til termometri, og ultrastabile magnetiske temperaturmålinger ved hjælp af teknikker lånt fra atomurforskning."