"Het doel van Thermal MagIC is het ontwikkelen van een algemene techniek voor temperatuurbeeldvorming en temperatuurmetingen in misschien wel de meest uitdagende omgevingen die je kunt hebben," zei Bui. "Ik ben blij met hoe het tot nu toe is gegaan. Je zet lange tijd kleine stapjes en dan is er plotseling een grote sprong, die ons naar ontdekkingen leidt die ons naar de kern brengen van hoe de beste ruimtelijke beeldresolutie kan worden bereikt met magnetische beeldvorming."

Thermal MagIC bestaat uit twee samenwerkende systemen. Het eerste deel bestaat uit de sensoren zelf:bollen van nanometerformaat waarvan de magnetische signalen veranderen met de temperatuur. Deze kleine deeltjes, gemaakt van ijzeroxide, zouden worden opgenomen in de vloeistoffen of vaste stoffen die worden bestudeerd.

Het tweede deel is het instrument dat de kleine bolletjes magnetisch prikkelt en vervolgens hun signaal uitleest.

Elk soort beeldvormingssysteem – of het nu een microscoop of een telescoop is, of in dit geval een beeldsensor voor magnetische deeltjes – heeft een limiet aan de ruimtelijke resolutie; het kan geen objecten zien die kleiner zijn dan een bepaalde grootte. Om deze limiet in Thermal MagIC te testen, stopten Bui en collega's eerst hun nanodeeltjes in een reeks kleine putjes – in clusters van vier – gevuld met oplossing. Elk putje in een viertal had een bepaalde afstand tot de andere putjes, ergens tussen 0,1 mm (zeer dicht bij elkaar) en 1 mm (verder uit elkaar).

Soms kon de beeldsensor elk van de vier putten duidelijk onderscheiden. Andere keren versmolten het viertal tot een of twee klodders. De onderzoekers testten welke delen van het signaal de putten het beste van elkaar onderscheidden.

Een belangrijk onderdeel van het signaal dat onderzoekers kunnen oppikken in hun Thermal MagIC-systeem zijn de harmonischen.

Degenen met een muzikale opleiding zijn misschien al bekend met de term. Een enkele noot gespeeld met een klarinet heeft één primaire geluidsfrequentie:de hoofdnoot, zeg maar een 'A-flat'. Maar die toon bevat ook een reeks andere, zwakkere frequenties – de harmonischen van de hoofdnoot – die de klarinet zijn kenmerkende geluidskwaliteit geven. Een klarinet en een hobo spelen misschien dezelfde toon, maar ze klinken verschillend van elkaar dankzij hun verschillende harmonischen, die voortkomen uit verschillen in de vormen en afmetingen van de instrumenten en de materialen die gebruikt zijn om ze te maken.

Harmonischen in de magnetische signalen van de nanodeeltjes in Thermal MagIC werken op een vergelijkbare manier. In dit geval bestaat de hoofdfrequentie echter niet uit geluidsgolven, maar uit een pulserend magnetisch signaal dat door de nanodeeltjes wordt geproduceerd. De harmonischen zijn pulserende magnetische signalen met hogere frequenties, geproduceerd door een uniek recept van materialen en omstandigheden in het systeem.

Hetzelfde nanodeeltje zou aan dezelfde magnetische excitatie kunnen worden blootgesteld. Maar afhankelijk van de temperatuur waaraan het deeltje werd blootgesteld, zouden de magnetische harmonischen ervan anders zijn:het koudere nanodeeltje zou kunnen "klinken" als een klarinet, maar het warmere nanodeeltje zou kunnen "klinken" als een hobo.

In het huidige onderzoek ontdekten onderzoekers dat het meten van hogere harmonischen (de harmonische signalen met hogere frequenties) in plaats van lagere harmonischen hen een betere ruimtelijke resolutie opleverde – dat wil zeggen dat ze in staat waren de vier putten van elkaar te onderscheiden, zelfs als ze vrij dicht bij elkaar stonden. samen. Door de verhouding tussen een hogere harmonische en een lagere harmonische te meten, kregen ze een nog duidelijker beeld.

Met deze opstelling konden ze temperatuurverschillen tot op slechts 500 millikelvin (duizendsten van een Kelvin) beoordelen in een volume van slechts 63 nanoliter (miljardste van een liter).

Tot de auteurs van het artikel behoren Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton en Solomon Woods.

De volgende grote mijlpaal zal de eerste meting over een temperatuurgradiënt zijn, waardoor Thermal MagIC kan overstappen naar een echt temperatuurbeeldvormingssysteem.

"Tot nu toe heb ik een monster nanodeeltjes bij één enkele temperatuur tegelijk gemeten", zei Bui. "Echte thermische beeldvorming vereist een systeem dat veel temperaturen in verschillende lokale regio's kent, en vervolgens de variaties tussen de lokale regio's kwantificeert en in beeld brengt. En dat is wat we de komende maanden proberen te doen."

Meer informatie: Thinh Q. Bui et al, Harmonische afhankelijkheid van thermische magnetische deeltjesbeeldvorming, Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42620-1

Journaalinformatie: Wetenschappelijke rapporten

Aangeboden door het National Institute of Standards and Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.