Thermal magIC: Plongée dans les détails d'une nouvelle 'caméra thermométrique' ambitieuse

26 septembre 2023

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par Jennifer Lauren Lee, Institut national des normes et de la technologie

Les thermomètres peuvent faire beaucoup de choses : mesurer la température au centre de votre poulet braisé à la perfection ou vous dire si vous devez garder votre enfant à la maison à cause d'une maladie. Mais en raison de leur taille, les utilisations des thermomètres traditionnels sont encore limitées.

'Comment mesurez-vous de manière non invasive la température à l'intérieur d'un système vivant tel qu'un être humain ?', a déclaré Thinh Bui du NIST. 'Ou dans d'autres environnements difficiles d'accès, par exemple la température à l'intérieur d'un gilet pare-balles en Kevlar lorsqu'une balle le pénètre. Comment y avoir accès ? On ne peut pas y insérer un thermomètre traditionnel.'

Si les chercheurs disposaient d'un système de thermométrie capable de mesurer de petits changements de température, avec une résolution spatiale élevée, à l'intérieur d'objets opaques à la lumière, cela pourrait révolutionner les domaines de la médecine et de la fabrication.

Pour répondre à ces besoins, les chercheurs du NIST travaillent sur un projet ambitieux appelé Thermal Magnetic Imaging and Control, ou 'Thermal MagIC'. Thermal MagIC mesure les réponses magnétiques de sphères nanométriques, faites de métal ou d'autres substances, intégrées à l'objet dont la température est mesurée. Les signaux magnétiques collectés par le système correspondent à des températures spécifiques. Allant au-delà de la simple mesure de la température, les chercheurs de Thermal MagIC visent à créer un thermomètre avec une résolution spatiale élevée - un système d'imagerie thermique.

Après quatre années et de nombreux jalons dans le projet, l'équipe de recherche vient de publier un article caractérisant pleinement la sensibilité à la température et la résolution spatiale de leur système d'imagerie, une étape nécessaire vers la création d'une 'caméra thermométrique' fiable. L'article est publié dans Scientific Reports.

Mesurer et contrôler la température en 3D est très souhaitable pour les diagnostics médicaux, la fabrication de précision, et bien plus encore. Cependant, il n'existe actuellement aucun moyen de mesurer la température en 3D à l'intérieur de ce type de système. Les chercheurs du NIST travaillent sur une solution en utilisant de minuscules thermomètres à l'échelle nanométrique. Crédit : Sean Kelley/NIST. Musique : Blue Dot Sessions.

'Le but de Thermal MagIC est de développer une technique générale d'imagerie thermique et de mesure de température dans peut-être certains des environnements les plus difficiles que l'on puisse avoir', a déclaré Bui. 'Je suis satisfait de la façon dont les choses se sont déroulées jusqu'à présent. On fait de petits pas pendant longtemps et puis tout à coup, il y a un grand saut, qui nous conduit à des découvertes qui nous amènent à la racine de la meilleure résolution d'image spatiale pouvant être atteinte avec l'imagerie magnétique.'

Thermal MagIC se compose de deux systèmes travaillant ensemble. La première partie comprend les capteurs eux-mêmes : des sphères de taille nanométrique dont les signaux magnétiques changent avec la température. Ces petites particules, composées d'oxyde de fer, seraient incorporées dans les liquides ou les solides étudiés.

La deuxième partie est l'instrument qui excite magnétiquement les petites sphères et lit ensuite leur signal.

Tout type de système d'imagerie - qu'il s'agisse d'un microscope, d'un télescope, ou dans ce cas, d'un imageur de particules magnétiques - a une limite de résolution spatiale ; il ne peut pas voir les objets plus petits qu'une certaine taille. Pour tester cette limite dans Thermal MagIC, Bui et ses collègues ont d'abord placé leurs nanoparticules dans une série de petits puits - en groupes de quatre - remplis de solution. Chaque puits d'un quatuor était espacé des autres puits d'une certaine quantité, de 0,1 mm (très proches les uns des autres) à 1 mm (plus éloignés).

Parfois, l'imageur pouvait distinguer chacun des quatre puits distinctement. D'autres fois, le quatuor se fondait en un ou deux amas. Les chercheurs ont testé les parties du signal qui distinguaient le mieux les puits les uns des autres.

Une partie clé du signal que les chercheurs peuvent détecter dans leur système Thermal MagIC est ses harmoniques.

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.