Thermal magIC: Approfondendo i dettagli di una nuova e ambiziosa "telecamera per termometria"

26 settembre 2023

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a cura di Jennifer Lauren Lee, Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia

I termometri possono fare molte cose: misurare la temperatura al centro del tuo pollo brasato perfettamente cotto o dirti se tenere tuo figlio a casa da scuola a causa di una malattia. Ma a causa delle loro dimensioni, l'uso dei termometri tradizionali è ancora limitato.

'Come si può misurare in modo non invasivo la temperatura all'interno di un sistema vitale come quello umano?' ha detto Thinh Bui del NIST. 'O in altri ambienti difficili da raggiungere, ad esempio la temperatura all'interno di un giubbotto antiproiettile di Kevlar quando viene colpito da un proiettile. Come fai ad avervi accesso? Non puoi infilare un termometro tradizionale lì dentro.'

Se i ricercatori avessero un sistema di termometria in grado di misurare piccoli cambiamenti di temperatura, con una alta risoluzione spaziale, all'interno di oggetti opachi alla luce, potrebbe rivoluzionare i settori della medicina e della manifattura.

Per affrontare 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 nanometriche, fatte di metallo o altre sostanze, incorporate nell'oggetto la cui temperatura viene misurata. I segnali magnetici raccolti dal sistema corrispondono a temperature specifiche. Oltre alla semplice misurazione della temperatura, gli studiosi di Thermal MagIC mirano a realizzare un termometro con alta risoluzione spaziale: un sistema di imaging della temperatura.

Dopo quattro anni e molti traguardi raggiunti nel progetto, il team 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 per realizzare una "telecamera termometrica" affidabile. L'articolo è stato pubblicato in Scientific Reports.

Misurare e controllare la temperatura in 3D è altamente desiderabile per la diagnostica medica, la produzione di precisione e molto altro. Tuttavia, al momento non esiste un modo per misurare la temperatura in 3D all'interno di questi tipi di sistemi. I ricercatori del NIST stanno lavorando a una soluzione utilizzando termometri nanometrici. Credito: Sean Kelley/NIST. Musica: Blue Dot Sessions.

'L'obiettivo di Thermal MagIC è sviluppare una tecnica generale per l'imaging della temperatura e le misurazioni della temperatura nei contesti forse più impegnativi che si possano affrontare', ha detto Bui. 'Sono soddisfatto dei progressi finora compiuti. Fai piccoli passi per molto tempo e all'improvviso c'è un grande balzo che ci porta a scoperte che ci permettono di capire come si possa ottenere la migliore risoluzione spaziale con l'imaging magnetico'.

Thermal MagIC è composto da due sistemi che lavorano insieme. La prima parte comprende i sensori stessi: sfere delle dimensioni di nanometri il cui segnale magnetico cambia con la temperatura. Queste minuscole particelle, fatte di ossido di ferro, sarebbero incorporate nei liquidi o solidi oggetto dello studio.

La seconda parte è lo strumento che eccita magneticamente le minuscole sfere e quindi 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 di risoluzione spaziale; non può vedere oggetti più piccoli di una certa dimensione. Per testare questo limite in Thermal MagIC, Bui e i suoi colleghi hanno prima inserito le loro nanoparticelle in una serie di pozzi piccolissimi - raggruppati in quattro - riempiti di una soluzione. Ogni pozzo di un gruppo di quattro era separato dagli altri pozzi da una determinata quantità, che poteva variare da 0,1 mm (molto vicini) a 1 mm (più distanti).

A volte, l'immagine riusciva a distinguere distintamente i quattro pozzi. Altre volte, i quattro si fondevano in uno o due gruppi. I ricercatori hanno quindi testato quali parti del segnale permettessero di distinguere meglio i pozzi l'uno dall'altro.

Una parte chiave del segnale che i ricercatori possono rilevare nel loro sistema Thermal MagIC sono le armoniche.

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.