Goedkopere koelkasten? Sterkere heupimplantaten? Een beter begrip van ziekten bij de mens? Dit kan allemaal en meer, ooit, dankzij een ambitieus nieuw project dat aan de gang is bij het National Institute of Standards and Technology (NIST).

NIST-onderzoekers bevinden zich in de beginfase van een enorme onderneming om een ​​vloot van kleine ultragevoelige thermometers te ontwerpen en te bouwen. Als ze slagen, hun systeem zal als eerste realtime temperatuurmetingen op microscopische schaal uitvoeren in een ondoorzichtig 3D-volume, waaronder medische implantaten, koelkasten, en zelfs het menselijk lichaam.

Het project heet Thermal Magnetic Imaging and Control (Thermal MagIC), en de onderzoekers zeggen dat het een revolutie teweeg kan brengen in temperatuurmetingen op veel gebieden:biologie, medicijn, chemische synthese, koeling, de auto-industrie, plasticproductie - "vrijwel overal waar temperatuur een cruciale rol speelt, " zei NIST-natuurkundige Cindi Dennis. "En dat is overal."

Het NIST-team is nu klaar met het bouwen van de aangepaste laboratoriumruimtes voor dit unieke project en is begonnen met de eerste grote fase van het experiment.

Thermal MagIC zal werken door gebruik te maken van objecten ter grootte van nanometers waarvan de magnetische signalen veranderen met de temperatuur. De objecten zouden worden opgenomen in de vloeistoffen of vaste stoffen die worden bestudeerd - het gesmolten plastic dat zou kunnen worden gebruikt als onderdeel van een kunstmatige gewrichtsvervanging, of de vloeibare koelvloeistof wordt gerecirculeerd door een koelkast. Een teledetectiesysteem zou dan deze magnetische signalen opvangen, wat betekent dat het systeem dat wordt bestudeerd vrij zou zijn van draden of andere omvangrijke externe objecten.

Het eindproduct zou temperatuurmetingen kunnen doen die 10 keer nauwkeuriger zijn dan de modernste technieken, verworven in een tiende van de tijd in een volume 10, 000 keer kleiner. Dit komt overeen met metingen tot op 25 millikelvin (duizendsten van een kelvin) in slechts een tiende van een seconde, in een volume van slechts honderd micrometer (miljoensten van een meter) aan een kant. De metingen zouden "traceerbaar" zijn naar het International System of Units (SI); met andere woorden, de metingen kunnen nauwkeurig worden gerelateerd aan de fundamentele definitie van de kelvin, 's werelds basiseenheid van temperatuur.

Het systeem is bedoeld om temperaturen te meten in het bereik van 200 tot 400 kelvin (K), dat is ongeveer -99 tot 260 graden Fahrenheit (F). Dit zou de meeste potentiële toepassingen dekken - in ieder geval diegene die het Thermal MagIC-team voor ogen heeft, zullen binnen de komende 5 jaar mogelijk zijn. Dennis en haar collega's zien potentieel voor een veel groter temperatuurbereik, die zich uitstrekt van 4 K-600 K, die alles zou omvatten, van onderkoelde supergeleiders tot gesmolten lood. Maar dat is geen onderdeel van de huidige ontwikkelingsplannen.

"Dit is een zeeverandering die groot genoeg is dat we verwachten dat als we het kunnen ontwikkelen - en we hebben er vertrouwen in dat we het kunnen - andere mensen het zullen nemen en er echt mee zullen rennen en dingen zullen doen die we ons momenteel niet kunnen voorstellen, ' zei Dennis.

Potentiële toepassingen zijn meestal in onderzoek en ontwikkeling, maar Dennis zei dat de toename van kennis waarschijnlijk zou doorsijpelen naar een verscheidenheid aan producten, eventueel inclusief 3D-printers, koelkasten, en medicijnen.

Waar is het goed voor?

Of het nu de thermostaat in uw woonkamer is of een zeer nauwkeurig standaardinstrument dat wetenschappers gebruiken voor laboratoriummetingen, de meeste thermometers die tegenwoordig worden gebruikt, kunnen alleen relatief grote gebieden meten - op macroscopisch in tegenstelling tot microscopisch niveau. Deze conventionele thermometers zijn ook opdringerig, waarbij sensoren nodig zijn om het te meten systeem binnen te dringen en via dikke draden te verbinden met een uitleessysteem.

Infrarood thermometers, zoals de voorhoofdinstrumenten die in veel dokterspraktijken worden gebruikt, zijn minder opdringerig. Maar ze doen nog steeds alleen macroscopische metingen en kunnen niet onder oppervlakken kijken.

Thermal MagIC zou wetenschappers in staat moeten stellen om beide beperkingen te omzeilen, zei Dennis.

Ingenieurs kunnen Thermal MagIC gebruiken om te studeren, Voor de eerste keer, hoe warmteoverdracht plaatsvindt binnen verschillende koelmiddelen op microschaal, die zouden kunnen helpen bij hun zoektocht naar goedkopere, minder energie-intensieve koelsystemen.

Artsen zouden Thermal MagIC kunnen gebruiken om ziekten te bestuderen, waarvan vele geassocieerd zijn met temperatuurstijgingen - een kenmerk van ontsteking - in specifieke delen van het lichaam.

En fabrikanten zouden het systeem kunnen gebruiken om 3D-printmachines die plastic smelten beter aan te sturen om aangepaste objecten zoals medische implantaten en prothesen te bouwen. Zonder de mogelijkheid om de temperatuur op microschaal te meten, Ontwikkelaars van 3D-printen missen cruciale informatie over wat er in het plastic gebeurt terwijl het stolt tot een object. Meer kennis zou op een dag de sterkte en kwaliteit van 3D-geprinte materialen kunnen verbeteren, door ingenieurs meer controle te geven over het 3D-printproces.

Het geven OOMMF

De eerste stap bij het maken van dit nieuwe thermometriesysteem is het maken van magneten van nanoformaat die sterke magnetische signalen afgeven als reactie op temperatuurveranderingen. Om de deeltjesconcentraties zo laag mogelijk te houden, de magneten moeten 10 keer gevoeliger zijn voor temperatuurveranderingen dan alle bestaande objecten.

Om dat soort signaal te krijgen, Dennis zei, onderzoekers zullen waarschijnlijk meerdere magnetische materialen in elk nano-object moeten gebruiken. Een kern van de ene stof wordt omgeven door andere materialen zoals de lagen van een ui.

Het probleem is dat er praktisch eindeloze combinaties van eigenschappen zijn die kunnen worden aangepast, inclusief de samenstelling van de materialen, maat, vorm, het aantal en de dikte van de lagen, of zelfs het aantal materialen. Het doornemen van al deze mogelijke combinaties en het testen van elk ervan op het effect op de temperatuurgevoeligheid van het object kan meerdere levens vergen.

Om hen te helpen daar te komen in maanden in plaats van decennia, het team wendt zich tot geavanceerde software:het Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), een veelgebruikt modelleringsprogramma ontwikkeld door NIST-onderzoekers Mike Donahue en Don Porter.

Het Thermal MagIC-team zal dit programma gebruiken om een ​​feedbackloop te creëren. NIST-chemici Thomas Moffat, Angela Hight Walker en Adam Biacchi zullen nieuwe nano-objecten synthetiseren. Vervolgens gaan Dennis en haar team de eigenschappen van de objecten karakteriseren. En tenslotte, Donahue zal hen helpen die informatie in OOMMF in te voeren, die voorspellingen doen over welke combinaties van materialen ze vervolgens moeten proberen.

"We hebben een aantal veelbelovende resultaten van de kant van magnetische nano-objecten, maar we zijn er nog niet helemaal ' zei Dennis.

Elke hond is een Voxel

Dus hoe meten ze de signalen die worden afgegeven door kleine concentraties nano-thermometers in een 3D-object als reactie op temperatuurveranderingen? Ze doen het met een machine die een magnetische deeltjesimager (MPI) wordt genoemd, die het monster omringt en een magnetisch signaal meet dat van de nanodeeltjes komt.

Effectief, ze meten veranderingen in het magnetische signaal dat van een klein volume van het monster komt, een "voxel" genoemd - in feite een 3D-pixel - en scan vervolgens het hele monster één voxel tegelijk.

Maar het is moeilijk om een ​​magnetisch veld scherp te stellen, zei NIST-natuurkundige Solomon Woods. Zo bereiken ze hun doel omgekeerd.

Overweeg een metafoor. Stel dat je een hondenkennel hebt, en je wilt meten hoe hard elke individuele hond blaft. Maar je hebt maar één microfoon. Als meerdere honden tegelijk blaffen, je microfoon pikt al dat geluid op, maar met slechts één microfoon kun je het geblaf van de ene hond niet onderscheiden van die van de andere.

Echter, als je elke hond op de een of andere manier tot rust zou kunnen brengen - misschien door zijn mond met een bot te bezetten - behalve een enkele cocker-spaniël in de hoek, dan zou je microfoon nog steeds alle geluiden in de kamer oppikken, maar het enige geluid zou van de cocker-spaniël zijn.

In theorie, je zou dit met elke hond in volgorde kunnen doen - eerst de cocker-spaniël, dan de mastiff ernaast, dan is de labradoodle de volgende in de rij - elke keer blijft er slechts één hond botvrij.

In deze metafoor elke hond is een voxel.

In principe, de onderzoekers maximaliseren het vermogen van op één na alle kleine delen van hun monster om op een magnetisch veld te reageren. (Dit is het equivalent van het vullen van de mond van elke hond met een heerlijk bot.) door de verandering in het magnetische signaal van het hele monster te meten, kunt u effectief dat ene kleine gedeelte meten.

Gelijkaardige MPI-systemen bestaan, maar zijn niet gevoelig genoeg om het soort minuscuul magnetisch signaal te meten dat afkomstig zou zijn van een kleine verandering in temperatuur. De uitdaging voor het NIST-team is om het signaal aanzienlijk te versterken.

"Onze instrumentatie lijkt erg op MPI, maar aangezien we de temperatuur moeten meten, niet alleen de aanwezigheid van een nano-object meten, we moeten onze signaal-ruisverhouding over MPI met duizend of tien verhogen, 000 keer, ' zei Bos.

Ze zijn van plan om het signaal te versterken met behulp van state-of-the-art technologieën. Bijvoorbeeld, Woods kan gebruik maken van supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten (SQUID's), cryogene sensoren die uiterst subtiele veranderingen in magnetische velden meten, of atomaire magnetometers, die detecteren hoe energieniveaus van atomen worden veranderd door een extern magnetisch veld. Woods werkt aan welke het beste kunnen worden gebruikt en hoe deze in het detectiesysteem kunnen worden geïntegreerd.

Het laatste deel van het project is ervoor zorgen dat de metingen herleidbaar zijn tot de SI, een project onder leiding van NIST-natuurkundige Wes Tew. Dat houdt in dat de magnetische signalen van de nanothermometers bij verschillende temperaturen worden gemeten, die gelijktijdig met standaardinstrumenten worden gemeten.

Andere belangrijke NIST-teamleden zijn onder meer Thinh Bui, Erik Rus, Brianna Bosch Correa, Mark Henn, Eduardo Correa en Klaus Quelhas.

Voordat ze hun nieuwe laboratoriumruimte afmaken, de onderzoekers waren in staat om een ​​aantal belangrijke werkzaamheden af ​​te ronden. In een artikel dat vorige maand in de International Journal on Magnetic Particle Imaging , de groep meldde dat ze een "veelbelovend" nanodeeltjesmateriaal van ijzer en kobalt hadden gevonden en getest, met temperatuurgevoeligheden die op een beheersbare manier varieerden, afhankelijk van hoe het team het materiaal voorbereidde. Het toevoegen van een geschikt schaalmateriaal om deze "kern" van nanodeeltjes te omhullen, zou het team dichter bij het creëren van een werkend temperatuurgevoelig nanodeeltje voor Thermal MagIC brengen.

In de afgelopen weken, de onderzoekers hebben verdere vooruitgang geboekt met het testen van combinaties van materialen voor de nanodeeltjes.

"Ondanks de uitdaging van het werken tijdens de pandemie, we hebben enkele successen geboekt in onze nieuwe laboratoria, Woods zei. "Deze prestaties omvatten onze eerste syntheses van meerlagige nanomagnetische systemen voor thermometrie, en ultrastabiele magnetische temperatuurmetingen met behulp van technieken die zijn ontleend aan atoomklokonderzoek."