Thermal magIC: Profundizando en los detalles de una nueva y ambiciosa 'cámara de termometría'

26 de septiembre de 2023

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por Jennifer Lauren Lee, Instituto Nacional de Normas y Tecnología

Los termómetros pueden hacer muchas cosas: medir la temperatura en el centro de tu pollo perfectamente guisado o decirte si debes mantener a tu hijo en casa por enfermedad. Pero debido a su tamaño, los usos de los termómetros tradicionales aún son limitados. '¿Cómo se puede medir la temperatura de manera no invasiva dentro de un sistema vivo como un ser humano?' dijo Thinh Bui de NIST. 'O en otros entornos que pueden ser difíciles de acceder, como la temperatura dentro de un chaleco de Kevlar cuando una bala lo penetra. ¿Cómo puedes acceder a eso? No puedes meter un termómetro tradicional ahí dentro'. Si los investigadores tuvieran un sistema de termometría capaz de medir pequeños cambios en la temperatura, con alta resolución espacial, dentro de objetos opacos a la luz, eso podría revolucionar los campos de la medicina y la fabricación. Para abordar estas necesidades, los investigadores de NIST están trabajando en un proyecto ambicioso llamado Imagen y Control Térmico Magnético, o 'Thermal MagIC'. Thermal MagIC mide las respuestas magnéticas de esferas de tamaño nanométrico, hechas de metal u otras sustancias, incrustadas en el objeto cuya temperatura se está midiendo. Las señales magnéticas recogidas por el sistema corresponden a temperaturas específicas. Más allá de simplemente medir la temperatura, los investigadores de Thermal MagIC tienen como objetivo crear un termómetro con alta resolución espacial, un sistema de imágenes de temperatura. Después de cuatro años y muchos hitos en el proyecto, el equipo de investigación acaba de publicar un artículo que caracteriza completamente la sensibilidad a la temperatura y la resolución espacial de su sistema de imágenes, un paso necesario para crear una 'cámara de termometría' confiable. El artículo se publica en Scientific Reports. Medir y controlar la temperatura en 3D es altamente deseable para el diagnóstico médico, la fabricación de precisión y mucho más. Sin embargo, actualmente no hay forma de medir la temperatura en 3D dentro de estos tipos de sistemas. Los investigadores de NIST están trabajando en una solución utilizando termómetros nanométricos diminutos. Crédito: Sean Kelley / NIST. Música: Blue Dot Sessions. 'El objetivo de Thermal MagIC es desarrollar una técnica general para imágenes y mediciones de temperatura en entornos que pueden ser los más desafiantes', dijo Bui. 'Estoy satisfecho con cómo han ido las cosas hasta ahora. Das pequeños pasos durante mucho tiempo y de repente hay un gran salto, lo que nos lleva a descubrimientos que nos acercan a la raíz de cómo se puede lograr la mejor resolución de imagen espacial con imágenes magnéticas'. Thermal MagIC consta de dos sistemas que funcionan juntos. La primera parte consiste en los propios sensores: esferas de tamaño nanométrico cuyas señales magnéticas cambian con la temperatura. Estas pequeñas partículas, hechas de óxido de hierro, se incorporarían a los líquidos o sólidos que se están estudiando. La segunda parte es el instrumento que excita magnéticamente las pequeñas esferas y luego lee su señal. Cada tipo de sistema de imágenes, ya sea un microscopio, un telescopio o en este caso, un imager de partículas magnéticas, tiene un límite en su resolución espacial; no puede ver objetos más pequeños que un cierto tamaño. Para probar este límite en Thermal MagIC, Bui y sus colegas colocaron primero sus nanopartículas en una serie de pocitos en grupos de cuatro, llenos de solución. Cada pocito de un grupo de cuatro estaba separado de los otros pocitos por cierta distancia, desde 0,1 mm (muy cerca) hasta 1 mm (más alejados). A veces, el imager podía distinguir claramente cada uno de los cuatro pocitos. Otras veces, el grupo de cuatro se fusionaba en uno o dos grupos. Los investigadores probaron qué partes de la señal distinguían mejor los pocitos entre sí. Una parte clave de la señal que los investigadores pueden recoger en su sistema Thermal MagIC son sus armónicos.

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.