Thermische magIC: Ein Blick auf die Details einer ehrgeizigen neuen "Thermometrie-Kamera"

26. September 2023

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von Jennifer Lauren Lee, National Institute of Standards and Technology

Thermometer können viele Dinge tun: Sie können die Temperatur im Zentrum Ihres perfekt geschmorten Huhns messen oder Ihnen sagen, ob Sie Ihr Kind aufgrund von Krankheit zuhause lassen sollten. Aber aufgrund ihrer Größe sind die Anwendungsmöglichkeiten herkömmlicher Thermometer immer noch begrenzt. 'Wie kann man die Temperatur in einem lebenden System wie einem Menschen berührungslos messen?' sagte NIST-Forscher Thinh Bui. 'Oder in anderen Umgebungen, die schwer zugänglich sein können - zum Beispiel die Temperatur in einer Kevlar-Weste, wenn eine Kugel eindringt. Wie kann man darauf zugreifen? Man kann kein herkömmliches Thermometer dort hineinstecken.' Wenn Forscher ein Thermometersystem hätten, das winzige Temperaturänderungen mit hoher räumlicher Auflösung inObjekten messen könnte, die lichtundurchlässig sind, könnte das die Bereiche Medizin und Produktion revolutionieren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, arbeiten NIST-Forscher an einem ehrgeizigen Projekt namens Thermal Magnetic Imaging and Control, oder 'Thermal MagIC'. Thermal MagIC misst die magnetischen Reaktionen von nanometergroßen Kugeln, die aus Metall oder anderen Substanzen bestehen und in dem gemessenen Objekt eingebettet sind. Die vom System gesammelten magnetischen Signale entsprechen bestimmten Temperaturen. Über die reine Temperaturmessung hinaus zielen die Thermal MagIC-Forscher darauf ab, ein Thermometer mit hoher räumlicher Auflösung - ein Temperaturbildgebungssystem - herzustellen.

Nach vier Jahren und vielen Meilensteinen in dem Projekt hat das Forschungsteam gerade einen Artikel veröffentlicht, der die Temperatursensibilität und die räumliche Auflösung ihres Bildgebungssystems vollständig charakterisiert. Dies ist ein notwendiger Schritt zur Entwicklung einer zuverlässigen 'Thermometriekamera'. Der Artikel wurde in Scientific Reports veröffentlicht. Die Messung und Kontrolle von Temperatur in 3D ist in der medizinischen Diagnostik, der Präzisionsfertigung und vielem mehr äußerst wünschenswert. Derzeit gibt es jedoch keine Möglichkeit, 3D-Temperaturen in solchen Systemen zu messen. NIST-Forscher arbeiten an einer Lösung mit winzigen nanoskaligen Thermometern. Bild: Sean Kelley/NIST. Musik: Blue Dot Sessions. 'Das Ziel von Thermal MagIC besteht darin, eine allgemeine Technik zur Temperaturbildgebung und -messung in vielleicht einigen der anspruchsvollsten Umgebungen zu entwickeln', sagte Bui. 'Ich bin zufrieden mit dem bisherigen Fortschritt. Man macht kleine Schritte über lange Zeit und plötzlich gibt es einen großen Sprung, der uns zu Entdeckungen führt, wie die beste räumliche Bildauflösung mit magnetischer Bildgebung erreicht werden kann.' Thermal MagIC besteht aus zwei zusammenarbeitenden Systemen. Der erste Teil besteht aus den Sensoren selbst: nanometergroßen Kugeln, deren magnetische Signale sich mit der Temperatur ändern. Diese winzigen Partikel, die aus Eisenoxid bestehen, würden in die zu untersuchende Flüssigkeit oder das zu untersuchende Feststoffmaterial eingebettet werden. Der zweite Teil ist das Instrument, das die winzigen Kugeln magnetisch anregt und dann ihr Signal abliest. Jede Art von Bildgebungssystem - sei es ein Mikroskop oder ein Teleskop oder in diesem Fall ein magnetisches Partikelbildgeber - hat eine Begrenzung in ihrer räumlichen Auflösung; es kann Objekte kleiner als eine bestimmte Größe nicht erkennen. Um diese Grenze bei Thermal MagIC zu testen, haben Bui und seine Kollegen ihre Nanopartikel zunächst in winzigen Vertiefungen in Vierergruppen platziert, gefüllt mit Lösung. Jede Vertiefung in einer Vierergruppe war durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt, der von 0,1 mm (sehr nah beieinander) bis 1 mm (weiter voneinander entfernt) reichte. Manchmal konnte der Bildgeber jede der vier Vertiefungen deutlich erkennen. Andere Male verschmolzen die Vierergruppen zu einer oder zwei Blobbs. Die Forscher testeten, welche Teile des Signals am besten dazu geeignet waren, die Vertiefungen voneinander zu unterscheiden. Ein entscheidender Teil des Signals, den die Forscher in ihrem Thermal MagIC-System erfassen können, sind die Harmonischen.

Those with musical training might already be familiar with the term. A single note played with a clarinet has one primary frequency of sound—the main note, say an 'A-flat.' But that tone also contains a series of other, fainter frequencies—harmonics of the main note—that give the clarinet its distinctive sound quality. A clarinet and an oboe might be playing the same note, but they sound distinct from one another thanks to their different harmonics, which arise from differences in the instruments' shapes and sizes and the materials used to make them.

Harmonics in the magnetic signals from the nanoparticles in Thermal MagIC work in a similar way. In this case, though, the main frequency is not sound waves but a pulsing magnetic signal produced by the nanoparticles. The harmonics are pulsing magnetic signals of higher frequencies, produced by a unique recipe of materials and conditions in the system.

The same nanoparticle could be exposed to the same magnetic excitation. But depending on the temperature to which the particle was exposed, its magnetic harmonics would be different: The colder nanoparticle might 'sound' like a clarinet, but the warmer nanoparticle might 'sound' like an oboe.

In the current study, researchers found that measuring higher harmonics (the harmonic signals with higher frequencies) rather than lower harmonics gave them better spatial resolution—that is, they were able to distinguish the four wells from each other even when they were spaced quite close together. Measuring the ratio of a higher harmonic to a lower harmonic gave them an even clearer picture.

With this setup, they were able to assess temperature differences to within just 500 millikelvin (thousandths of a kelvin) in a volume of just 63 nanoliters (billionths of a liter).

The paper's authors include Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton, and Solomon Woods.

The next big milestone will be the first measurement over a temperature gradient, which would allow Thermal MagIC to graduate to a true temperature imaging system.

'So far, I've measured a sample of nanoparticles at one single temperature at a time,' Bui said. 'True thermal imaging requires a system that has many temperatures across different local regions, and then quantifying and imaging the variations across the local regions. And that's what we're endeavoring to do in the coming months.'

Journal information: Scientific Reports

Provided by National Institute of Standards and Technology

This story is republished courtesy of NIST. Read the original story here.