Termisk magI:Graver i detaljerne i et ambitiøst nyt termometrikamera

"Målet med Thermal MagIC er at udvikle en generel teknik til temperaturbilleddannelse og temperaturmålinger i måske nogle af de mest udfordrende miljøer, du kan have," sagde Bui. "Jeg er tilfreds med, hvordan tingene er gået indtil videre. Man tager små skridt i lang tid, og så er der pludselig et stort spring, der fører os til opdagelser, der fører os til roden af, hvordan den bedste rumlige billedopløsning kan opnås med magnetisk billeddannelse."

Thermal MagIC består af to systemer, der arbejder sammen. Den første del består af selve sensorerne:kugler på nanometerstørrelse, hvis magnetiske signaler ændres med temperaturen. Disse små partikler, lavet af jernoxid, ville blive inkorporeret i de væsker eller faste stoffer, der undersøges.

Den anden del er instrumentet, der exciterer de små kugler magnetisk og derefter udlæser deres signal.

Enhver form for billeddannelsessystem – hvad enten det er et mikroskop eller et teleskop, eller i dette tilfælde en magnetisk partikel-imager – har en grænse for dets rumlige opløsning; den kan ikke se genstande mindre end en vis størrelse. For at teste denne grænse i Thermal MagIC satte Bui og kolleger først deres nanopartikler i en række små brønde - i klynger af fire - fyldt med opløsning. Hver brønd i en foursome var placeret i en vis afstand fra de andre brønde, hvor som helst fra 0,1 mm (meget tæt på hinanden) til 1 mm (længere fra hinanden).

Nogle gange kunne billedkameraet udvælge hver af de fire brønde distinkt. Andre gange smeltede de fire sammen til en eller to klatter. Forskerne testede, hvilke dele af signalet, der bedst adskilte brøndene fra hinanden.

En vigtig del af signalforskerne kan opfange i deres Thermal MagIC-system er dets harmoniske.

Dem med musikalsk træning kender måske allerede udtrykket. En enkelt tone spillet med en klarinet har én primær lydfrekvens - hovedtonen, for eksempel en "A-flad". Men den tone indeholder også en række andre, svagere frekvenser – harmoniske af hovedtonen – der giver klarinetten dens karakteristiske lydkvalitet. En klarinet og en obo spiller måske den samme tone, men de lyder adskilt fra hinanden takket være deres forskellige harmoniske, som opstår som følge af forskelle i instrumenternes former og størrelser og de materialer, der bruges til at fremstille dem.

Overtoner i de magnetiske signaler fra nanopartiklerne i Thermal MagIC fungerer på lignende måde. I dette tilfælde er hovedfrekvensen dog ikke lydbølger, men et pulserende magnetisk signal produceret af nanopartiklerne. Overtonerne er pulserende magnetiske signaler med højere frekvenser, produceret af en unik opskrift af materialer og betingelser i systemet.

Den samme nanopartikel kunne blive udsat for den samme magnetiske excitation. Men afhængigt af temperaturen, som partiklen blev udsat for, ville dens magnetiske harmoniske være anderledes:Den koldere nanopartikel kan "lyde" som en klarinet, men den varmere nanopartikel kan "lyde" som en obo.

I den aktuelle undersøgelse fandt forskere ud af, at måling af højere harmoniske (de harmoniske signaler med højere frekvenser) frem for lavere harmoniske gav dem bedre rumlig opløsning - det vil sige, at de var i stand til at skelne de fire brønde fra hinanden, selv når de var placeret ret tæt på hinanden. sammen. Måling af forholdet mellem en højere harmonisk og en lavere harmonisk gav dem et endnu klarere billede.

Med denne opsætning var de i stand til at vurdere temperaturforskelle til inden for blot 500 millikelvin (tusindedele af en kelvin) i et volumen på kun 63 nanoliter (milliarddele af en liter).

Avisens forfattere omfatter Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton og Solomon Woods.

Den næste store milepæl vil være den første måling over en temperaturgradient, som ville gøre det muligt for Thermal MagIC at opgradere til et ægte temperaturbilleddannelsessystem.

"Indtil videre har jeg målt en prøve af nanopartikler ved en enkelt temperatur ad gangen," sagde Bui. "Ægte termisk billeddannelse kræver et system, der har mange temperaturer på tværs af forskellige lokale regioner, og derefter kvantificere og afbilde variationerne på tværs af de lokale regioner. Og det er det, vi bestræber os på at gøre i de kommende måneder."

Flere oplysninger: Thinh Q. Bui et al., Harmonisk afhængighed af termisk magnetisk partikelbilleddannelse, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42620-1

Journaloplysninger: Videnskabelige rapporter

Leveret af National Institute of Standards and Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.