作者:本·普
斯坦，国家标准与技术研究所 这些用于测温的原型纳米颗粒核心直径为35纳米
学分:A
比亚奇/NIST 更便宜的冰箱？更强的髋关节植入物？对人类疾病的更好理解？所有这些都是可能的，而且有朝一日，由于国家标准与技术研究所(NIST)正在进行的一个雄心勃勃的新项目，这些都将成为可能
NIST的研究人员正处于设计和建造微型超灵敏温度计的大规模工程的早期阶段
如果他们成功了，他们的系统将是第一个在不透明的三维空间中对微观尺度的温度进行实时测量的系统——这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(热磁)，研究人员说，它可以在许多领域彻底改变温度测量:生物学、医学、化学合成、制冷、汽车工业、塑料生产——“几乎任何地方的温度都起着关键作用，”NIST物理学家辛迪·丹尼斯说
“到处都是
" NIST团队现在已经为这个独特的项目完成了定制实验室空间的建设，并开始了实验的第一个主要阶段
热魔法将通过使用纳米大小的物体来工作，这些物体的磁信号随着温度而变化
这些物体将被整合到被研究的液体或固体中——融化的塑料可能被用作人工关节替代物的一部分，或者液体冷却剂通过冰箱再循环
一个遥感系统将会接收到这些磁信号，这意味着被研究的系统将不会有电线或其他笨重的外部物体
最终产品可以使温度测量比最先进的技术精确10倍，在一个10000倍小的体积中用十分之一的时间获得
这相当于在仅仅十分之一秒的时间内精确到25毫开尔文(千分之一开尔文)以内的测量，在一个只有100微米(百万分之一米)的体积内
测量可以“追溯”到国际单位制；换句话说，它的读数可能与开尔文的基本定义准确相关，开尔文是世界上温度的基本单位
该系统旨在测量200至400开尔文(约-99至260华氏度)范围内的温度
这将涵盖大多数潜在的应用——至少热魔术团队设想的那些应用在未来5年内是可能的
丹尼斯和她的同事们看到了从4 K到600 K的更大温度范围的潜力，这将包括从过冷超导体到熔融铅的所有东西
但这不是当前发展计划的一部分
丹尼斯说:“这是一个足够大的巨变，我们希望如果我们能开发它——我们有信心我们能——其他人会接受它，真正地与它一起运行，做我们目前无法想象的事情。”
潜在的应用主要是在研发中，但丹尼斯说，知识的增长可能会渗透到各种产品中，可能包括三维打印机、冰箱和药品
这对什么有好处？ 无论是你客厅里的恒温器，还是科学家用于实验室测量的高精度标准仪器，今天使用的大多数温度计只能测量相对较大的区域——在宏观层面而不是微观层面
这些传统的温度计也是侵入式的，需要传感器穿透被测量的系统，并通过粗大的电线连接到读出系统
红外温度计，如许多医生办公室使用的前额仪器，侵入性较小
但是他们仍然只能进行宏观测量，看不到表面下
丹尼斯说，热魔法应该让科学家们避开这两个限制
工程师们可以第一次使用热能魔法来研究不同冷却剂中的微型热传递，这有助于他们寻找更便宜、能耗更低的制冷系统
医生可以使用热魔法来研究疾病，其中许多疾病与身体特定部位的温度升高(炎症的标志)有关
制造商可以使用该系统来更好地控制三维打印机，这些打印机可以熔化塑料来制造医疗植入物和假体等定制物品
由于没有能力在微尺度上测量温度，三维打印开发人员正在丢失关于塑料固化成物体时内部发生什么的关键信息
有朝一日，通过让工程师对三维打印过程有更多的控制，更多的知识可以提高三维打印材料的强度和质量
赋予它活力 制造这种新测温系统的第一步是制造出纳米大小的磁铁，这种磁铁会随着温度的变化发出强磁信号
为了将粒子浓度保持在尽可能低的水平，磁铁对温度变化的敏感度需要是现有任何物体的10倍
丹尼斯说，为了获得这种信号，研究人员可能需要在每个纳米物体中使用多种磁性材料
一种物质的核心会被其他物质包围，比如洋葱的外层
问题是，实际上有无穷无尽的属性组合可以调整，包括材料的成分、尺寸、形状、层数和厚度，甚至材料的数量
经历所有这些潜在的组合，并测试每一个组合对物体温度敏感度的影响，可能需要几个生命周期才能完成
为了帮助他们在几个月而不是几十年内到达那里，该团队转向了复杂的软件:面向对象的微磁学框架(OOMMF)，一个由NIST研究人员迈克·多纳休和唐·波特开发的广泛使用的建模程序
热能魔术团队将使用该程序创建一个反馈回路
NIST化学家托马斯·莫法特、安吉拉·海特·沃克和亚当·比亚奇将合成新的纳米物体
然后丹尼斯和她的团队将描述这些物体的特性
最后，多纳休将帮助他们把这些信息输入OOMMF，OOMMF将预测他们下一步应该尝试什么样的材料组合
丹尼斯说:“在磁性纳米物体方面，我们有一些非常有希望的结果，但我们还没有完全实现。”
每只狗都是一个体素 那么，他们如何测量三维物体内部微小浓度的纳米温度计响应温度变化发出的信号呢？他们用一种叫做磁粉成像仪(MPI)的机器来做这件事，它围绕着样本，测量来自纳米粒子的磁信号
实际上，他们测量一小块样本(称为“体素”——基本上是一个三维像素)的磁信号变化，然后一次扫描整个样本一个体素
但NIST物理学家索罗门·伍兹说，很难聚焦磁场
所以他们反过来实现他们的目标
考虑一个比喻
假设你有一个狗窝，你想测量每只狗的叫声有多大
但是你只有一个麦克风
如果有多只狗同时吠叫，你的麦克风会拾取所有的声音，但是只有一个麦克风，你就不能区分一只狗的叫声和另一只狗的叫声
然而，如果你能以某种方式让每只狗安静下来——也许是用骨头堵住它的嘴——除了角落里的一只可卡犬，那么你的麦克风仍然能听到房间里所有的声音，但唯一的声音将来自可卡犬
理论上，你可以按顺序给每只狗做这个——首先是可卡犬，然后是旁边的獒犬，然后是排队的拉布拉多犬——每次只留下一只狗的骨头
在这个比喻中，每只狗都是一个体素
基本上，研究人员最大化了除了一小部分样本以外的所有样本对磁场的反应能力
(这相当于给每只狗的嘴里塞了一块美味的骨头
)然后，测量整个样本的磁信号变化，可以有效地让你只测量一小部分
类似的MPI系统也存在，但不够灵敏，无法测量温度微小变化产生的微小磁信号
NIST团队面临的挑战是大幅提升信号
“我们的仪器与MPI非常相似，但由于我们必须测量温度，而不仅仅是测量纳米物体的存在，我们本质上需要将MPI的信噪比提高一千或一万倍，”伍兹说
他们计划使用最先进的技术来增强信号
例如，伍兹可能会使用超导量子干涉装置(SQUIDs)，测量磁场极其细微变化的低温传感器，或者检测原子能级如何被外部磁场改变的原子磁力计
伍兹正在研究哪些是最好使用的，以及如何将它们整合到检测系统中
该项目的最后一部分是确保测量结果可追溯到国际标准，这是一个由NIST物理学家韦斯·图领导的项目
这将包括测量纳米温度计在不同温度下的磁信号，同时用标准仪器进行测量
其他重要的NIST团队成员包括廷赫·比伊、埃里克·罗斯、陈伶俐·博施·科雷亚、马克·亨、爱德华多·科雷亚和克劳斯·奎尔哈斯
在完成新的实验室空间之前，研究人员能够完成一些重要的工作
在上个月发表在《国际磁性粒子成像杂志》上的一篇论文中，该小组报告称，他们发现并测试了一种“有前途的”由铁和钴制成的纳米粒子材料，其温度敏感性根据团队如何制备该材料而以可控的方式变化
添加一种合适的壳材料来包裹这种纳米粒子“核心”，将使团队更接近于创造一种对温度敏感的热魔纳米粒子
在过去的几周里，研究人员在测试纳米粒子的材料组合方面取得了进一步的进展
“尽管在大流行期间工作有困难，但我们的新实验室还是取得了一些成功，”伍兹说
“这些成就包括我们首次合成用于测温的多层纳米磁性系统，以及利用从原子钟研究中借用的技术进行超稳定磁性温度测量
"
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