NIST新项目打造纳米温度计,可彻底改变温度成像方式

更便宜的冰箱?更坚固的髋关节植入物?对人类疾病有更好的了解?所有这些都是可能的。由于美国国家标准与技术研究院(NIST)正在进行一项雄心勃勃的新项目,他们将打造的纳米温度计有朝一日所有这些都有可能实现。

NIST的研究人员正处于大规模设计和建造微型超灵敏温度计的初期阶段。如果他们成功了,新系统将是第一个以不透明的3D体积在微观尺度上实时测量温度的系统-可能包括医疗植入物,冰箱甚至人体。

该项目被称为热磁成像和控制(Thermal MagIC),研究人员说,它可能会改变许多领域的温度测量:生物学,医学,化学合成,制冷,汽车工业,塑料生产等几乎任何温度变化的地方。

NIST团队现在已经完成了为该独特项目建造定制化的实验室空间的工作,并且已经开始了实验的第一个主要阶段。

最终产品的温度测量精度是最新技术的10倍,而体积却缩小了10,000倍,是最新技术的十分之一。这相当于测量结果精确到25毫开尔文(千分之一开尔文)之内,精确到十分之一秒,而侧面的体积仅为一百微米(百万分之一米)。度量可以“追溯到”国际单位制(SI);换句话说,其读数可以准确地与世界温度的基本单位开尔文的基本定义相关。

该系统旨在测量200至400开尔文(K)范围内的温度,该温度约为-99至260华氏度(F)。这将涵盖大多数潜在的应用程序-至少Thermal MagIC团队设想的应用程序将在未来5年内实现。研究人员看到了更大的温度范围(从4 K至600 K)的潜力,该范围涵盖了从过冷超导体到熔融铅的所有内容。但这不是当前发展计划的一部分。

潜在的应用主要是在研发中,未来可能会融入各种产品,可能包括3D打印机,冰箱和药品。

NIST新项目打造纳米温度计,可彻底改变温度成像方式--这些用于测温的原型纳米颗粒核的直径为35nm

这些用于测温的原型纳米颗粒核的直径为35nm

到底有什么好处呢?

无论是客厅中的恒温器,还是科学家用于实验室测量的高精度标准仪器,当今使用的大多数温度计只能测量相对较大的区域-宏观而非微观。这些传统的温度计也是侵入式的,需要传感器穿透被测系统并通过笨重的电线连接至读数系统。

红外温度计,例如许多医生办公室使用的额头仪器,具有较低的侵入性。但是它们仍然仅进行宏观测量,看不到表面下方具体情况。

Thermal MagIC应该让科学家摆脱这两个限制。

工程师们可以首次使用Thermal MagIC研究微观尺度上不同冷却剂之间的传热过程,这有助于他们寻求更便宜,耗能更少的制冷系统。

医生可以使用Thermal MagIC来研究疾病,其中许多疾病与身体特定部位的体温升高有关(炎症的标志)。

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并且制造商可以使用该系统更好地控制3D打印机,该3D打印机融化塑料以构建自定义对象,例如医疗植入物和假肢。由于无法在微尺度上测量温度,因此3D打印开发人员缺少有关塑料固化成物体时内部发生的重要信息。通过使工程师对3D打印过程进行更多控制,有一天更多的知识可以提高3D打印材料的强度和质量。

制造这种新型测温系统的第一步是制造纳米尺寸的磁体,该磁体将响应温度变化而发出强磁信号。为了保持尽可能低的颗粒浓度,磁体对温度变化的敏感度需要比目前存在的任何物体高10倍。

要获得这种信号,研究人员可能需要在每个纳米物体中使用多种磁性材料。一种物质的核心将被其他材料包围。

麻烦的是,实际上存在着可以调整的各种特性组合,包括材料的成分,尺寸,形状,层数和厚度,甚至是材料数。仔细研究所有这些可能的组合并测试每种组合对物体温度灵敏度的影响可能要耗费大量时间。

为了帮助他们在几个月而不是数十年的时间内到达那里,该团队正在转向复杂的软件:面向对象的微型电磁框架(OOMMF),这是由NIST研究人员Mike Donahue和Don Porter开发的一种广泛使用的建模程序。

Thermal MagIC团队将使用该程序创建反馈回路。NIST的化学家Thomas Moffat,Angela Hight Walker和Adam Biacchi将合成新的纳米物体。然后,丹尼斯和她的团队将表征对象的属性。最后,Donahue将帮助他们将该信息输入OOMMF,这将对他们下一步应该尝试的材料组合做出预测。

研究人员已经能够完成一些重要的工作。该研究小组上个月发表在国际磁性粒子成像杂志的一篇论文中说,他们发现并测试了一种由铁和钴制成的“有前途的”纳米粒子材料。在过去的几周中,研究人员在测试用于纳米粒子的材料组合方面取得了进一步的进展。

研究人员说:“尽管在病毒大流行期间工作充满挑战,我们在新实验室中还是取得了一些成功。” “这些成就包括用于测温的多层纳米磁性系统的首次合成,以及使用从原子钟研究中借用的技术进行的超稳定磁性温度测量。”

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