Billigare kylskåp? Starkare höftimplantat? En bättre förståelse för mänsklig sjukdom? Allt detta kan vara möjligt och mer, någon dag, tack vare ett ambitiöst nytt projekt på gång vid National Institute of Standards and Technology (NIST).

NIST-forskare befinner sig i ett tidigt skede av ett massivt åtagande att designa och bygga en flotta med små ultrakänsliga termometrar. Om de lyckas, deras system kommer att vara det första som gör realtidsmätningar av temperatur på den mikroskopiska skalan i en ogenomskinlig 3D-volym-som kan inkludera medicinska implantat, kylskåp, och även människokroppen.

Projektet kallas Thermal Magnetic Imaging and Control (Thermal MagIC), och forskarna säger att det kan revolutionera temperaturmätningar inom många områden:biologi, medicin, kemisk syntes, kylning, bilindustrin, plastproduktion - "i stort sett var som helst temperatur spelar en avgörande roll, "sa NIST -fysikern Cindi Dennis." Och det är överallt. "

NIST -teamet har nu byggt klart sina anpassade laboratorier för detta unika projekt och har påbörjat experimentets första stora fas.

Thermal MagIC fungerar med hjälp av objekt i nanometerstorlek vars magnetiska signaler ändras med temperaturen. Objekten skulle införlivas i de vätskor eller fasta ämnen som studeras - den smälta plasten som kan användas som en del av en artificiell ledersättning, eller det flytande kylvätskan återcirkuleras genom ett kylskåp. Ett fjärranalyssystem skulle sedan ta upp dessa magnetiska signaler, vilket innebär att systemet som studeras skulle vara fritt från ledningar eller andra skrymmande yttre föremål.

Slutprodukten kan göra temperaturmätningar som är 10 gånger mer exakta än toppmoderna tekniker, förvärvat på en tiondel av tiden i volym 10, 000 gånger mindre. Detta motsvarar mätningar som är exakta inom 25 millikelvin (tusendelar av en kelvin) på så lite som en tiondel av en sekund, i en volym bara hundra mikrometer (miljondelar av en meter) på en sida. Mätningarna skulle vara "spårbara" till International System of Units (SI); med andra ord, dess avläsningar kan vara korrekt relaterade till den grundläggande definitionen av kelvin, världens grundläggande temperaturenhet.

Systemet syftar till att mäta temperaturer inom intervallet från 200 till 400 kelvin (K), som är cirka -99 till 260 grader Fahrenheit (F). Detta skulle täcka de flesta potentiella applikationer - åtminstone de som Thermal MagIC -teamet tänker sig vara möjliga inom de närmaste fem åren. Dennis och hennes kollegor ser potential för ett mycket större temperaturintervall, sträcker sig från 4 K-600 K, som skulle omfatta allt från superkylda superledare till smält bly. Men det är inte en del av de nuvarande utvecklingsplanerna.

"Detta är en tillräckligt stor havsförändring som vi förväntar oss att om vi kan utveckla det - och vi har förtroende för att vi kan - kommer andra människor att ta det och verkligen springa med det och göra saker som vi för närvarande inte kan föreställa oss, "Sa Dennis.

Potentiella tillämpningar är mestadels inom forskning och utveckling, men Dennis sa att kunskapsökningen sannolikt skulle sippra till en mängd olika produkter, eventuellt inklusive 3D-skrivare, kylskåp, och mediciner.

Vad är det bra för?

Oavsett om det är termostaten i ditt vardagsrum eller ett högprecisionsstandardinstrument som forskare använder för laboratoriemätningar, de flesta termometrar som används idag kan bara mäta relativt stora områden - på makroskopisk nivå i motsats till mikroskopisk nivå. Dessa konventionella termometrar är också påträngande, kräver att sensorer tränger in i systemet som mäts och för att ansluta till ett avläsningssystem med skrymmande ledningar.

Infraröda termometrar, såsom panninstrumenten som används på många läkarkontor, är mindre påträngande. Men de gör fortfarande bara makroskopiska mätningar och kan inte se under ytor.

Thermal MagIC bör låta forskare komma runt båda dessa begränsningar, Sa Dennis.

Ingenjörer kan använda Thermal MagIC för att studera, för första gången, hur värmeöverföring sker inom olika kylvätskor på mikroskala, som kan hjälpa dem att hitta billigare, mindre energikrävande kylsystem.

Läkare kan använda Thermal MagIC för att studera sjukdomar, varav många är förknippade med temperaturökningar - ett kännetecken för inflammation - i specifika delar av kroppen.

Och tillverkare kan använda systemet för att bättre styra 3D-tryckmaskiner som smälter plast för att bygga anpassade föremål som medicinska implantat och proteser. Utan förmågan att mäta temperatur på mikroskala, 3D-utskriftsutvecklare saknar viktig information om vad som händer inuti plasten när det stelnar till ett föremål. Mer kunskap kan förbättra styrkan och kvaliteten på 3D-tryckta material en dag, genom att ge ingenjörer mer kontroll över 3D-utskriftsprocessen.

Ge det OOMMF

Det första steget i att göra detta nya termometri system är att skapa magneter i nanostorlek som kommer att avge starka magnetiska signaler som svar på temperaturförändringar. För att hålla partikelkoncentrationerna så låga som möjligt, magneterna måste vara 10 gånger mer känsliga för temperaturförändringar än några objekt som för närvarande finns.

För att få den typen av signaler, Dennis sa, forskare kommer sannolikt att behöva använda flera magnetiska material i varje nano-objekt. En kärna av en substans kommer att omges av andra material, t.ex. lager av en lök.

Problemet är att det finns praktiskt taget oändliga kombinationer av egenskaper som kan justeras, inklusive materialets sammansättning, storlek, form, lagrets antal och tjocklek, eller till och med antalet material. Att gå igenom alla dessa potentiella kombinationer och testa var och en för dess effekt på objektets temperaturkänslighet kan ta flera liv att uppnå.

För att hjälpa dem att komma dit på månader istället för årtionden, teamet vänder sig till sofistikerad programvara:Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), ett mycket använt modelleringsprogram utvecklat av NIST -forskarna Mike Donahue och Don Porter.

Thermal MagIC -teamet kommer att använda detta program för att skapa en återkopplingsslinga. NIST -kemister Thomas Moffat, Angela Hight Walker och Adam Biacchi kommer att syntetisera nya nanoobjekt. Därefter kommer Dennis och hennes team att karaktärisera objektens egenskaper. Och slutligen, Donahue hjälper dem att mata in den informationen till OOMMF, som kommer att göra förutsägelser om vilka kombinationer av material de ska prova härnäst.

"Vi har några mycket lovande resultat från den magnetiska nano-objektsidan av saker, men vi är inte riktigt där än, "Sa Dennis.

Varje hund är en Voxel

Så hur mäter de signalerna som ges ut av små koncentrationer av nanotermometrar inuti ett 3D-objekt som svar på temperaturförändringar? De gör det med en maskin som kallas en magnetisk partikelavbildare (MPI), som omger provet och mäter en magnetisk signal som kommer från nanopartiklarna.

Effektivt, de mäter förändringar i den magnetiska signalen som kommer från en liten volym av provet, kallas en "voxel"-i grunden en 3D-pixel-och skannar sedan igenom hela provet en voxel i taget.

Men det är svårt att fokusera ett magnetfält, sa NIST -fysikern Solomon Woods. Så de uppnår sitt mål omvänt.

Tänk på en metafor. Säg att du har en hundgård, och du vill mäta hur högt varje enskild hund skäller. Men du har bara en mikrofon. Om flera hundar skäller samtidigt din mikrofon tar upp allt det ljudet, men med bara en mikrofon kommer du inte att kunna skilja en hunds bark från en annans.

Dock, om du kunde tysta varje hund på något sätt - kanske genom att uppta munnen med ett ben - förutom en enda cocker spaniel i hörnet, då skulle din mikrofon fortfarande plocka upp alla ljud i rummet, men det enda ljudet skulle vara från cocker spaniel.

I teorin, du kan göra detta med varje hund i följd - först cocker spaniel, sedan mastiffen bredvid den, sedan labradoodle nästa i kön-varje gång lämnar bara en hund benfri.

I denna metafor, varje hund är en voxel.

I grund och botten, forskarna maximerar förmågan för alla utom en liten volym av deras prov att reagera på ett magnetfält. (Det här motsvarar att stoppa varje hunds mun med ett utsökt ben.) Sedan, genom att mäta förändringen i magnetisk signal från hela provet kan du effektivt mäta just det lilla avsnittet.

MPI -system som liknar detta finns men är inte tillräckligt känsliga för att mäta den lilla magnetiska signalen som skulle komma från en liten temperaturförändring. Utmaningen för NIST -teamet är att öka signalen avsevärt.

"Vår instrumentering är mycket lik MPI, men eftersom vi måste mäta temperaturen, inte bara mäta närvaron av ett nano-objekt, vi behöver i huvudsak öka vårt signal-brusförhållande över MPI med tusen eller tio, 000 gånger, "Sa Woods.

De planerar att öka signalen med hjälp av toppmodern teknik. Till exempel, Woods kan använda supraledande kvantstörningsanordningar (SQUID), kryogena sensorer som mäter extremt subtila förändringar i magnetfält, eller atommagnetometrar, som upptäcker hur energinivåerna i atomer förändras av ett externt magnetfält. Woods arbetar med vilka som är bäst att använda och hur man integrerar dem i detektionssystemet.

Den sista delen av projektet är att se till att mätningarna kan spåras till SI, ett projekt som leds av NIST -fysikern Wes Tew. Det kommer att innebära att mäta nano-termometrarnas magnetiska signaler vid olika temperaturer som samtidigt mäts med standardinstrument.

Andra viktiga NIST -teammedlemmar inkluderar Thinh Bui, Eric Rus, Brianna Bosch Correa, Mark Henn, Eduardo Correa och Klaus Quelhas.

Innan de avslutar sitt nya laboratorierum, forskarna kunde slutföra några viktiga arbeten. I en artikel publicerad förra månaden i International Journal on Magnetic Particle Imaging , gruppen rapporterade att de hade hittat och testat ett "lovande" nanopartikelmaterial av järn och kobolt, med temperaturkänsligheter som varierade på ett kontrollerbart sätt beroende på hur teamet förberedde materialet. Att lägga till ett lämpligt skalmaterial för att omsluta denna nanopartikel "kärna" skulle föra laget närmare att skapa en arbetstemperaturkänslig nanopartikel för Thermal MagIC.

Under de senaste veckorna, forskarna har gjort ytterligare framsteg med att testa kombinationer av material för nanopartiklarna.

"Trots utmaningen att arbeta under pandemin, vi har haft några framgångar i våra nya laboratorier, "Woods sa." Dessa prestationer inkluderar våra första synteser av flerskiktiga nanomagnetiska system för termometri, och ultrastabila magnetiska temperaturmätningar med hjälp av tekniker som lånats från atomurforskning. "