Termometrar kan göra många saker:Mät temperaturen i mitten av din perfekt bräserade kyckling eller tala om för dig om du ska hålla ditt barn hemma från skolan på grund av sjukdom. Men på grund av deras storlek är användningen av traditionella termometrar fortfarande begränsad.
"Hur mäter man icke-invasivt en temperatur inuti ett levande system som en människa?" sa NIST:s Thinh Bui. "Eller i andra miljöer som kan vara svåra att komma åt – säg, temperaturen inuti en Kevlarväst när en kula tränger igenom den. Hur har du tillgång till det? Du kan inte sticka in en traditionell termometer där."
Om forskare hade ett termometrisystem som kunde mäta små förändringar i temperatur, med hög rumslig upplösning, inuti föremål som är ogenomskinliga för ljus, skulle det potentiellt kunna revolutionera medicin och tillverkning.
För att möta dessa behov arbetar NIST-forskare med ett ambitiöst projekt som heter Thermal Magnetic Imaging and Control, eller "Thermal MagIC." Thermal MagIC mäter de magnetiska svaren från sfärer i nanostorlek, gjorda av metall eller andra ämnen, inbäddade i objektet vars temperatur mäts. De magnetiska signalerna som samlas in av systemet motsvarar specifika temperaturer. Utöver att bara mäta temperatur, siktar Thermal MagIC-forskarna på att göra en termometer med hög rumslig upplösning – ett temperaturavbildningssystem.
Fyra år och många milstolpar in i projektet har forskargruppen just publicerat ett dokument som helt karakteriserar temperaturkänsligheten och rumslig upplösning för deras bildsystem, ett nödvändigt steg mot att göra en pålitlig "termometrikamera". Artikeln publiceras i Scientific Reports .
"Målet med Thermal MagIC är att utveckla en allmän teknik för temperaturavbildning och temperaturmätningar i kanske några av de mest utmanande miljöer som du kan ha," sa Bui. "Jag är nöjd med hur det har gått hittills. Man tar små steg under lång tid och sedan plötsligt blir det ett stort hopp, vilket leder oss till upptäckter som tar oss till roten av hur den bästa rumsliga bildupplösningen kan uppnås med magnetisk bild."
Thermal MagIC består av två system som arbetar tillsammans. Den första delen består av själva sensorerna:nanometerstora sfärer vars magnetiska signaler förändras med temperaturen. Dessa små partiklar, gjorda av järnoxid, skulle införlivas i de vätskor eller fasta ämnen som studeras.
Den andra delen är instrumentet som exciterar de små sfärerna magnetiskt och sedan läser ut deras signal.
Varje typ av bildsystem – oavsett om det är ett mikroskop eller ett teleskop, eller i det här fallet en magnetisk partikelavbildare – har en gräns för sin rumsliga upplösning; den kan inte se föremål som är mindre än en viss storlek. För att testa denna gräns i Thermal MagIC lade Bui och kollegor först sina nanopartiklar i en serie små brunnar – i kluster om fyra – fyllda med lösning. Varje brunn i en foursome var åtskild från de andra brunnarna med en viss mängd, allt från 0,1 mm (mycket nära varandra) till 1 mm (längre ifrån varandra).
Ibland kunde avbildaren välja ut var och en av de fyra brunnarna distinkt. Andra gånger slogs fyran ihop till en eller två klotter. Forskarna testade vilka delar av signalen som bäst skilde brunnarna från varandra.
En viktig del av signalforskarna kan fånga upp i deras Thermal MagIC-system är dess övertoner.
De med musikalisk utbildning kanske redan är bekanta med termen. En enskild ton som spelas med en klarinett har en primär ljudfrekvens - huvudtonen, säg en "A-flat". Men den tonen innehåller också en rad andra, svagare frekvenser – övertoner av huvudtonen – som ger klarinetten dess distinkta ljudkvalitet. En klarinett och en oboe kanske spelar samma ton, men de låter olika från varandra tack vare deras olika övertoner, som uppstår från skillnader i instrumentens former och storlekar och de material som används för att tillverka dem.
Övertoner i de magnetiska signalerna från nanopartiklarna i Thermal MagIC fungerar på liknande sätt. I det här fallet är dock huvudfrekvensen inte ljudvågor utan en pulserande magnetisk signal som produceras av nanopartiklarna. Övertonerna är pulserande magnetiska signaler med högre frekvenser, producerade av ett unikt recept av material och förhållanden i systemet.
Samma nanopartikel skulle kunna utsättas för samma magnetiska excitation. Men beroende på vilken temperatur partikeln exponerades för skulle dess magnetiska övertoner vara annorlunda:Den kallare nanopartikeln kanske "låter" som en klarinett, men den varmare nanopartikeln kan "låta" som en oboe.
I den aktuella studien fann forskare att mätning av högre övertoner (de övertonssignaler med högre frekvenser) snarare än lägre övertoner gav dem bättre rumslig upplösning - det vill säga att de kunde skilja de fyra brunnarna från varandra även när de var placerade ganska nära. tillsammans. Att mäta förhållandet mellan en högre överton och en lägre överton gav dem en ännu tydligare bild.
Med den här inställningen kunde de bedöma temperaturskillnader till inom bara 500 millikelvin (tusendelar av en kelvin) i en volym på bara 63 nanoliter (miljarddelar av en liter).
Tidningens författare inkluderar Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton och Solomon Woods.
Nästa stora milstolpe kommer att vara den första mätningen över en temperaturgradient, som skulle göra det möjligt för Thermal MagIC att övergå till ett verkligt temperaturavbildningssystem.
"Hittills har jag mätt ett prov av nanopartiklar vid en enda temperatur åt gången," sa Bui. "Äkta värmebilder kräver ett system som har många temperaturer över olika lokala regioner, och sedan kvantifierar och avbildar variationerna mellan de lokala regionerna. Och det är vad vi strävar efter att göra under de kommande månaderna."
Mer information: Thinh Q. Bui et al, Harmonic dependence of thermal magnetic particle imaging, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42620-1
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av National Institute of Standards and Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.
