Frigoriferi più economici? Protesi dell'anca più forti? Una migliore comprensione delle malattie umane? Tutto questo potrebbe essere possibile e altro ancora, un giorno, grazie a un nuovo ambizioso progetto in corso presso il National Institute of Standards and Technology (NIST).

I ricercatori del NIST sono nelle prime fasi di un'imponente impresa per progettare e costruire una flotta di minuscoli termometri ultrasensibili. Se ci riescono, il loro sistema sarà il primo a effettuare misurazioni in tempo reale della temperatura su scala microscopica in un volume 3D opaco, che potrebbe includere impianti medici, frigoriferi, e anche il corpo umano.

Il progetto si chiama Thermal Magnetic Imaging and Control (Thermal MagIC), e i ricercatori dicono che potrebbe rivoluzionare le misurazioni della temperatura in molti campi:biologia, medicinale, sintesi chimica, refrigerazione, l'industria automobilistica, produzione di plastica:"praticamente ovunque la temperatura gioca un ruolo critico, " ha detto il fisico del NIST Cindi Dennis. "E questo è ovunque."

Il team del NIST ha ora finito di costruire i suoi spazi di laboratorio personalizzati per questo progetto unico e ha iniziato la prima fase importante dell'esperimento.

Thermal MagIC funzionerà utilizzando oggetti di dimensioni nanometriche i cui segnali magnetici cambiano con la temperatura. Gli oggetti sarebbero stati incorporati nei liquidi o nei solidi studiati:la plastica fusa che potrebbe essere utilizzata come parte di una sostituzione articolare artificiale, oppure il liquido di raffreddamento viene fatto ricircolare attraverso un frigorifero. Un sistema di telerilevamento raccoglierebbe quindi questi segnali magnetici, il che significa che il sistema oggetto di studio sarebbe privo di cavi o altri oggetti esterni ingombranti.

Il prodotto finale potrebbe effettuare misurazioni della temperatura 10 volte più precise delle tecniche all'avanguardia, acquisita in un decimo del tempo in un volume 10, 000 volte più piccolo. Ciò equivale a misurazioni accurate entro 25 millikelvin (millesimi di kelvin) in appena un decimo di secondo, in un volume di appena cento micrometri (milionesimi di metro) di lato. Le misurazioni sarebbero "rintracciabili" al Sistema Internazionale di Unità (SI); in altre parole, le sue letture potrebbero essere accuratamente correlate alla definizione fondamentale del kelvin, l'unità di base della temperatura del mondo.

Il sistema mira a misurare le temperature nell'intervallo da 200 a 400 kelvin (K), che è di circa -99 a 260 gradi Fahrenheit (F). Ciò coprirebbe la maggior parte delle potenziali applicazioni, almeno quelle che il team di Thermal MagIC prevede saranno possibili entro i prossimi 5 anni. Dennis e i suoi colleghi vedono il potenziale per un intervallo di temperatura molto più ampio, allungamento da 4 K-600 K, che comprenderebbe di tutto, dai superconduttori superraffreddati al piombo fuso. Ma questo non fa parte degli attuali piani di sviluppo.

"Questo è un cambiamento epocale abbastanza grande che ci aspettiamo che se possiamo svilupparlo - e abbiamo fiducia che possiamo farlo - altre persone lo prenderanno e se la caveranno davvero e faranno cose che attualmente non possiamo immaginare, "Dennis ha detto.

Le potenziali applicazioni sono principalmente nella ricerca e sviluppo, ma Dennis ha detto che l'aumento della conoscenza si sarebbe probabilmente ridotto a una varietà di prodotti, possibilmente comprese le stampanti 3D, frigoriferi, e medicinali.

Per cosa è buono?

Che si tratti del termostato del tuo soggiorno o di uno strumento standard ad alta precisione che gli scienziati utilizzano per le misurazioni di laboratorio, la maggior parte dei termometri utilizzati oggi può misurare solo aree relativamente grandi, a livello macroscopico anziché microscopico. Questi termometri convenzionali sono anche invadenti, richiedono che i sensori penetrino nel sistema da misurare e si colleghino a un sistema di lettura tramite fili ingombranti.

termometri a infrarossi, come gli strumenti per la fronte usati in molti studi medici, sono meno invadenti. Ma fanno ancora solo misurazioni macroscopiche e non possono vedere sotto le superfici.

Thermal MagIC dovrebbe consentire agli scienziati di aggirare entrambe queste limitazioni, disse Dennis.

Gli ingegneri potrebbero utilizzare Thermal MagIC per studiare, per la prima volta, come avviene il trasferimento di calore all'interno di diversi refrigeranti su microscala, che potrebbe aiutare la loro ricerca di trovare più economico, sistemi di refrigerazione meno energivori.

I medici potrebbero utilizzare Thermal MagIC per studiare malattie, molti dei quali sono associati all'aumento della temperatura, un segno distintivo dell'infiammazione, in parti specifiche del corpo.

E i produttori potrebbero utilizzare il sistema per controllare meglio le macchine da stampa 3D che fondono la plastica per costruire oggetti personalizzati come protesi e impianti medici. Senza la capacità di misurare la temperatura su microscala, Gli sviluppatori di stampa 3D mancano di informazioni cruciali su cosa sta succedendo all'interno della plastica mentre si solidifica in un oggetto. Una maggiore conoscenza potrebbe un giorno migliorare la forza e la qualità dei materiali stampati in 3D, offrendo agli ingegneri un maggiore controllo sul processo di stampa 3D.

Dandogli OOMMF

Il primo passo nella realizzazione di questo nuovo sistema di termometria è la creazione di magneti di dimensioni nanometriche che emetteranno forti segnali magnetici in risposta ai cambiamenti di temperatura. Per mantenere le concentrazioni di particelle il più basse possibile, i magneti dovranno essere 10 volte più sensibili alle variazioni di temperatura rispetto a qualsiasi oggetto attualmente esistente.

Per ottenere quel tipo di segnale, Dennis ha detto, i ricercatori dovranno probabilmente utilizzare più materiali magnetici in ciascun nano-oggetto. Un nucleo di una sostanza sarà circondato da altri materiali come gli strati di una cipolla.

Il problema è che ci sono praticamente infinite combinazioni di proprietà che possono essere modificate, compresa la composizione dei materiali, dimensione, forma, il numero e lo spessore degli strati, o anche il numero di materiali. Esaminare tutte queste potenziali combinazioni e testare ciascuna per il suo effetto sulla sensibilità alla temperatura dell'oggetto potrebbe richiedere più vite.

Per aiutarli ad arrivarci in mesi invece che decenni, il team si sta rivolgendo a un software sofisticato:l'Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), un programma di modellazione ampiamente utilizzato sviluppato dai ricercatori del NIST Mike Donahue e Don Porter.

Il team di Thermal MagIC utilizzerà questo programma per creare un ciclo di feedback. I chimici del NIST Thomas Moffat, Angela Hight Walker e Adam Biacchi sintetizzeranno nuovi nano-oggetti. Quindi Dennis e il suo team caratterizzeranno le proprietà degli oggetti. E infine, Donahue li aiuterà a inserire queste informazioni in OOMMF, che farà previsioni su quali combinazioni di materiali dovrebbero provare in seguito.

"Abbiamo alcuni risultati molto promettenti dal lato dei nano-oggetti magnetici, ma non siamo ancora arrivati "Dennis ha detto.

Ogni cane è un voxel

Quindi, come misurano i segnali emessi da minuscole concentrazioni di nanotermometri all'interno di un oggetto 3-D in risposta ai cambiamenti di temperatura? Lo fanno con una macchina chiamata imager di particelle magnetiche (MPI), che circonda il campione e misura un segnale magnetico proveniente dalle nanoparticelle.

Effettivamente, misurano le variazioni del segnale magnetico proveniente da un piccolo volume del campione, chiamato "voxel", in pratica un pixel 3D, e quindi scansiona l'intero campione un voxel alla volta.

Ma è difficile mettere a fuoco un campo magnetico, ha detto il fisico del NIST Solomon Woods. Quindi raggiungono il loro obiettivo al contrario.

Considera una metafora. Diciamo che hai un canile, e vuoi misurare quanto forte abbaia ogni singolo cane. Ma hai solo un microfono. Se più cani abbaiano contemporaneamente, il tuo microfono rileverà tutto quel suono, ma con un solo microfono non sarai in grado di distinguere l'abbaiare di un cane da quello di un altro.

Però, se potessi calmare ogni cane in qualche modo, magari occupandogli la bocca con un osso, tranne che per un singolo cocker spaniel nell'angolo, allora il tuo microfono continuerebbe a raccogliere tutti i suoni nella stanza, ma l'unico suono sarebbe del cocker spaniel.

In teoria, potresti farlo con ogni cane in sequenza:prima il cocker spaniel, poi il mastino accanto, poi il labradoodle successivo in linea, lasciando ogni volta solo un cane senza ossa.

In questa metafora, ogni cane è un voxel.

Fondamentalmente, i ricercatori massimizzano la capacità di tutti tranne un piccolo volume del loro campione di rispondere a un campo magnetico. (Questo è l'equivalente di riempire la bocca di ogni cane con un delizioso osso.) Quindi, misurare la variazione del segnale magnetico dall'intero campione consente effettivamente di misurare solo quella piccola sezione.

Esistono sistemi MPI simili a questo, ma non sono abbastanza sensibili per misurare il tipo di minuscolo segnale magnetico che deriverebbe da un piccolo cambiamento di temperatura. La sfida per il team del NIST è aumentare il segnale in modo significativo.

"La nostra strumentazione è molto simile a MPI, ma poiché dobbiamo misurare la temperatura, non solo misurare la presenza di un nano-oggetto, abbiamo essenzialmente bisogno di aumentare il nostro rapporto segnale-rumore su MPI di mille o 10, 000 volte, " ha detto il bosco.

Hanno in programma di aumentare il segnale utilizzando tecnologie all'avanguardia. Per esempio, Woods può utilizzare dispositivi di interferenza quantistica superconduttori (SQUID), sensori criogenici che misurano cambiamenti estremamente sottili nei campi magnetici, o magnetometri atomici, che rilevano come i livelli di energia degli atomi vengono modificati da un campo magnetico esterno. Woods sta lavorando su quali siano i migliori da utilizzare e come integrarli nel sistema di rilevamento.

La parte finale del progetto è assicurarsi che le misurazioni siano riconducibili al SI, un progetto guidato dal fisico del NIST Wes Tew. Ciò comporterà la misurazione dei segnali magnetici dei nanotermometri a diverse temperature che vengono misurati simultaneamente da strumenti standard.

Altri membri chiave del team NIST includono Thinh Bui, Eric Rus, Brianna Bosch Correa, Marco Henn, Eduardo Correa e Klaus Quelhas.

Prima di finire il loro nuovo spazio laboratorio, i ricercatori sono stati in grado di completare alcuni lavori importanti. In un articolo pubblicato il mese scorso su Rivista internazionale sull'imaging con particelle magnetiche , il gruppo ha riferito di aver trovato e testato un materiale di nanoparticelle "promettente" fatto di ferro e cobalto, con sensibilità alla temperatura che variavano in modo controllabile a seconda di come il team preparava il materiale. L'aggiunta di un materiale di rivestimento appropriato per racchiudere questo "nucleo" di nanoparticelle avvicinerebbe il team alla creazione di una nanoparticella funzionante sensibile alla temperatura per Thermal MagIC.

Nelle ultime settimane, i ricercatori hanno compiuto ulteriori progressi testando combinazioni di materiali per le nanoparticelle.

"Nonostante la sfida di lavorare durante la pandemia, abbiamo avuto dei successi nei nostri nuovi laboratori, " Woods ha detto. "Questi risultati includono le nostre prime sintesi di sistemi nanomagnetici multistrato per la termometria, e misurazioni della temperatura magnetica ultra-stabile utilizzando tecniche prese in prestito dalla ricerca sull'orologio atomico".