I termometri possono fare molte cose:misurare la temperatura al centro del pollo perfettamente brasato o dirti se tenere tuo figlio a casa da scuola a causa di una malattia. Ma a causa delle loro dimensioni, gli usi dei termometri tradizionali sono ancora limitati.
"Come si misura in modo non invasivo la temperatura all'interno di un sistema vivente come quello umano?" ha detto Thinh Bui del NIST. "O in altri ambienti a cui potrebbe essere difficile accedere, ad esempio la temperatura all'interno di un giubbotto di Kevlar mentre un proiettile lo penetra. Come puoi accedervi? Non puoi infilarci un termometro tradizionale."
Se i ricercatori avessero un sistema di termometria in grado di misurare piccoli cambiamenti di temperatura, con un'elevata risoluzione spaziale, all'interno di oggetti opachi alla luce, ciò potrebbe potenzialmente rivoluzionare i campi della medicina e della produzione.
Per rispondere a queste esigenze, i ricercatori del NIST stanno lavorando a un ambizioso progetto chiamato Thermal Magnetic Imaging and Control, o “Thermal MagIC”. Thermal MagIC misura le risposte magnetiche di sfere di dimensioni nanometriche, realizzate in metallo o altre sostanze, incorporate nell'oggetto di cui si sta misurando la temperatura. I segnali magnetici raccolti dal sistema corrispondono a temperature specifiche. Andando oltre la semplice misurazione della temperatura, i ricercatori di Thermal MagIC mirano a realizzare un termometro con elevata risoluzione spaziale, un sistema di imaging della temperatura.
Quattro anni e molte pietre miliari nel progetto, il gruppo di ricerca ha appena pubblicato un articolo che caratterizza completamente la sensibilità alla temperatura e la risoluzione spaziale del loro sistema di imaging, un passo necessario verso la realizzazione di una "telecamera termometrica" affidabile. L'articolo è pubblicato in Scientific Reports .
"L'obiettivo di Thermal MagIC è quello di sviluppare una tecnica generale per l'imaging e la misurazione della temperatura in alcuni degli ambienti forse più difficili che si possano avere", ha affermato Bui. "Sono soddisfatto di come sono andate le cose finora. Si fanno piccoli passi per molto tempo e poi all'improvviso c'è un grande salto, che ci porta a scoperte che ci portano alla radice di come si può ottenere la migliore risoluzione spaziale dell'immagine con imaging magnetico."
Thermal MagIC è costituito da due sistemi che lavorano insieme. La prima parte è costituita dai sensori stessi:sfere di dimensioni nanometriche i cui segnali magnetici cambiano con la temperatura. Queste minuscole particelle, costituite da ossido di ferro, verrebbero incorporate nei liquidi o nei solidi oggetto di studio.
La seconda parte è lo strumento che eccita magneticamente le minuscole sfere e poi legge il loro segnale.
Ogni tipo di sistema di imaging, che si tratti di un microscopio o di un telescopio, o in questo caso di un imager di particelle magnetiche, ha un limite alla sua risoluzione spaziale; non può vedere oggetti più piccoli di una certa dimensione. Per testare questo limite in Thermal MagIC, Bui e colleghi hanno prima inserito le loro nanoparticelle in una serie di minuscoli pozzetti, in gruppi di quattro, pieni di soluzione. Ciascun pozzetto in un gruppo di quattro era distanziato dagli altri di una certa quantità, ovunque da 0,1 mm (molto vicini tra loro) a 1 mm (più distanti).
A volte, l'imager poteva individuare distintamente ciascuno dei quattro pozzetti. Altre volte, il quartetto si fondeva in uno o due blob. I ricercatori hanno testato quali parti del segnale distinguevano meglio i pozzi l'uno dall'altro.
Una parte fondamentale del segnale che i ricercatori possono captare nel loro sistema Thermal MagIC sono le sue armoniche.
Chi ha una formazione musicale potrebbe già avere familiarità con il termine. Una singola nota suonata con un clarinetto ha una frequenza sonora primaria:la nota principale, diciamo un "la bemolle". Ma quel tono contiene anche una serie di altre frequenze più deboli – armoniche della nota principale – che conferiscono al clarinetto la sua caratteristica qualità sonora. Un clarinetto e un oboe potrebbero suonare la stessa nota, ma suonano distinti l'uno dall'altro grazie ai loro diversi armonici, che derivano dalle differenze nelle forme e dimensioni degli strumenti e dai materiali utilizzati per realizzarli.
Le armoniche nei segnali magnetici delle nanoparticelle in Thermal MagIC funzionano in modo simile. In questo caso, però, la frequenza principale non sono le onde sonore, ma un segnale magnetico pulsante prodotto dalle nanoparticelle. Le armoniche sono segnali magnetici pulsanti di frequenze più elevate, prodotti da una ricetta unica di materiali e condizioni nel sistema.
La stessa nanoparticella potrebbe essere esposta alla stessa eccitazione magnetica. Ma a seconda della temperatura alla quale la particella è stata esposta, le sue armoniche magnetiche sarebbero diverse:la nanoparticella più fredda potrebbe "suonare" come un clarinetto, ma la nanoparticella più calda potrebbe "suonare" come un oboe.
Nel presente studio, i ricercatori hanno scoperto che la misurazione delle armoniche più alte (i segnali armonici con frequenze più alte) piuttosto che delle armoniche più basse ha dato loro una migliore risoluzione spaziale, ovvero sono stati in grado di distinguere i quattro pozzi l’uno dall’altro anche quando erano abbastanza vicini. insieme. Misurare il rapporto tra un'armonica superiore e un'armonica inferiore ha fornito loro un quadro ancora più chiaro.
Con questa configurazione, sono stati in grado di valutare le differenze di temperatura entro soli 500 millikelvin (millesimi di kelvin) in un volume di soli 63 nanolitri (miliardesi di litro).
Gli autori dell'articolo includono Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton e Solomon Woods.
Il prossimo grande traguardo sarà la prima misurazione su un gradiente di temperatura, che consentirebbe a Thermal MagIC di passare a un vero sistema di imaging della temperatura.
"Finora ho misurato un campione di nanoparticelle a una singola temperatura alla volta", ha detto Bui. "La vera termografia richiede un sistema che abbia molte temperature in diverse regioni locali e quindi quantifichi e immagini le variazioni tra le regioni locali. Ed è ciò che cercheremo di fare nei prossimi mesi."
Ulteriori informazioni: Thinh Q. Bui et al, Dipendenza armonica dell'imaging termico di particelle magnetiche, Rapporti scientifici (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42620-1
Informazioni sul giornale: Rapporti scientifici
Fornito dal National Institute of Standards and Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
