Geladeiras mais baratas? Implantes de quadril mais fortes? Uma melhor compreensão das doenças humanas? Tudo isso poderia ser possível e muito mais, algum dia, graças a um novo projeto ambicioso em andamento no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).

Os pesquisadores do NIST estão nos estágios iniciais de uma grande empreitada para projetar e construir uma frota de minúsculos termômetros ultrassensíveis. Se eles tiverem sucesso, seu sistema será o primeiro a fazer medições em tempo real de temperatura na escala microscópica em um volume 3-D opaco - que pode incluir implantes médicos, geladeiras, e até mesmo o corpo humano.

O projeto é denominado Imagem e Controle Termomagnético (Thermal MagIC), e os pesquisadores dizem que pode revolucionar as medições de temperatura em muitos campos:biologia, Medicina, síntese química, refrigeração, a indústria automotiva, produção de plástico - "praticamente em qualquer lugar a temperatura desempenha um papel crítico, "disse a física do NIST Cindi Dennis." E isso está em toda parte. "

A equipe do NIST terminou de construir seus espaços de laboratório personalizados para este projeto único e começou a primeira grande fase do experimento.

O Thermal MagIC funcionará usando objetos do tamanho de nanômetros cujos sinais magnéticos mudam com a temperatura. Os objetos seriam incorporados aos líquidos ou sólidos em estudo - o plástico derretido que pode ser usado como parte de uma substituição de junta artificial, ou o líquido refrigerante sendo recirculado através de um refrigerador. Um sistema de sensoriamento remoto iria então captar esses sinais magnéticos, o que significa que o sistema em estudo estaria livre de fios ou outros objetos externos volumosos.

O produto final pode fazer medições de temperatura que são 10 vezes mais precisas do que as técnicas de ponta, adquirido em um décimo do tempo em um volume 10, 000 vezes menor. Isso equivale a medições com precisão de até 25 milikelvin (milésimos de Kelvin) em apenas um décimo de segundo, em um volume de apenas cem micrômetros (milionésimos de metro) de lado. As medições seriam "rastreáveis" ao Sistema Internacional de Unidades (SI); em outras palavras, suas leituras podem ser relacionadas com precisão à definição fundamental do Kelvin, a unidade básica de temperatura do mundo.

O sistema visa medir temperaturas na faixa de 200 a 400 kelvin (K), que é cerca de -99 a 260 graus Fahrenheit (F). Isso cobriria a maioria das aplicações potenciais - pelo menos aquelas que a equipe do Thermal MagIC prevê que serão possíveis nos próximos 5 anos. Dennis e seus colegas veem potencial para uma faixa de temperatura muito maior, estendendo-se de 4 K-600 K, que abrangeria tudo, desde supercondutores super-resfriados até chumbo derretido. Mas isso não faz parte dos planos de desenvolvimento atuais.

"Esta é uma grande mudança radical que esperamos que, se pudermos desenvolvê-la - e temos confiança de que podemos - outras pessoas a aceitarão e realmente correrão com ela e farão coisas que atualmente não podemos imaginar, "Dennis disse.

As aplicações potenciais são principalmente em pesquisa e desenvolvimento, mas Dennis disse que o aumento no conhecimento provavelmente se estenderá a uma variedade de produtos, possivelmente incluindo impressoras 3-D, geladeiras, e medicamentos.

Para que isso é bom?

Seja o termostato em sua sala de estar ou um instrumento padrão de alta precisão que os cientistas usam para medições de laboratório, a maioria dos termômetros usados ​​hoje pode medir apenas áreas relativamente grandes - em um nível macroscópico em oposição ao microscópico. Esses termômetros convencionais também são intrusivos, requerendo sensores para penetrar no sistema que está sendo medido e se conectar a um sistema de leitura por fios volumosos.

Termômetros infravermelhos, como os instrumentos de testa usados ​​em muitos consultórios médicos, são menos intrusivos. Mas eles ainda fazem apenas medições macroscópicas e não podem ver abaixo das superfícies.

O Thermal MagIC deve permitir que os cientistas contornem essas duas limitações, Disse Dennis.

Os engenheiros podem usar o Thermal MagIC para estudar, pela primeira vez, como a transferência de calor ocorre dentro de diferentes refrigerantes na microescala, o que pode ajudar na busca por encontrar mais barato, sistemas de refrigeração com menor consumo de energia.

Os médicos podem usar Thermal MagIC para estudar doenças, muitos dos quais estão associados a aumentos de temperatura - uma marca registrada da inflamação - em partes específicas do corpo.

E os fabricantes poderiam usar o sistema para controlar melhor as máquinas de impressão 3-D que derretem plástico para construir objetos personalizados, como implantes médicos e próteses. Sem a capacidade de medir a temperatura em microescala, Os desenvolvedores de impressão 3-D estão perdendo informações cruciais sobre o que está acontecendo dentro do plástico conforme ele se solidifica em um objeto. Mais conhecimento pode melhorar a força e a qualidade dos materiais impressos em 3D algum dia, dando aos engenheiros mais controle sobre o processo de impressão 3-D.

Dando OOMMF

O primeiro passo para fazer este novo sistema de termometria é criar ímãs de tamanho nanométrico que emitirão fortes sinais magnéticos em resposta às mudanças de temperatura. Para manter as concentrações de partículas o mais baixo possível, os ímãs precisarão ser 10 vezes mais sensíveis às mudanças de temperatura do que quaisquer objetos existentes atualmente.

Para obter esse tipo de sinal, Dennis disse, os pesquisadores provavelmente precisarão usar vários materiais magnéticos em cada nano-objeto. O núcleo de uma substância será cercado por outros materiais, como as camadas de uma cebola.

O problema é que existem combinações praticamente infinitas de propriedades que podem ser ajustadas, incluindo a composição dos materiais, Tamanho, forma, o número e a espessura das camadas, ou mesmo o número de materiais. Examinar todas essas combinações potenciais e testar cada uma quanto ao seu efeito sobre a sensibilidade do objeto à temperatura pode levar várias vidas para realizar.

Para ajudá-los a chegar lá em meses, em vez de décadas, a equipe está se voltando para um software sofisticado:o Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), um programa de modelagem amplamente utilizado desenvolvido pelos pesquisadores do NIST Mike Donahue e Don Porter.

A equipe do Thermal MagIC usará este programa para criar um loop de feedback. Os químicos do NIST Thomas Moffat, Angela Hight Walker e Adam Biacchi irão sintetizar novos nanoobjetos. Em seguida, Dennis e sua equipe irão caracterizar as propriedades dos objetos. E finalmente, Donahue os ajudará a alimentar essa informação em OOMMF, que fará previsões sobre quais combinações de materiais eles devem tentar a seguir.

"Temos alguns resultados muito promissores do lado dos nanoobjetos magnéticos, mas ainda não chegamos lá, "Dennis disse.

Cada Cachorro É um Voxel

Então, como eles medem os sinais emitidos por pequenas concentrações de nanotermômetros dentro de um objeto 3-D em resposta às mudanças de temperatura? Eles fazem isso com uma máquina chamada gerador de imagens de partículas magnéticas (MPI), que envolve a amostra e mede um sinal magnético que sai das nanopartículas.

Efetivamente, eles medem as mudanças no sinal magnético que sai de um pequeno volume da amostra, chamado de "voxel" - basicamente um pixel 3-D - e, em seguida, varra a amostra inteira, um voxel de cada vez.

Mas é difícil focar um campo magnético, disse o físico do NIST, Solomon Woods. Assim, eles alcançam seu objetivo ao contrário.

Considere uma metáfora. Digamos que você tenha um canil, e você deseja medir o quão alto cada cão está latindo. Mas você só tem um microfone. Se vários cachorros estão latindo ao mesmo tempo, seu microfone vai captar todo aquele som, mas com apenas um microfone você não conseguirá distinguir o latido de um cachorro do de outro.

Contudo, se você pudesse aquietar cada cachorro de alguma forma - talvez ocupando sua boca com um osso - exceto por um único cocker spaniel no canto, então seu microfone ainda estaria captando todos os sons da sala, mas o único som seria do cocker spaniel.

Em teoria, você poderia fazer isso com cada cão em sequência - primeiro o cocker spaniel, em seguida, o mastim ao lado dele, em seguida, o labradoodle é o próximo da fila - cada vez deixando apenas um cachorro sem ossos.

Nesta metáfora, cada cachorro é um voxel.

Basicamente, os pesquisadores maximizam a capacidade de todos, exceto um pequeno volume de sua amostra, de responder a um campo magnético. (Isso é o equivalente a encher a boca de cada cachorro com um osso delicioso.) Então, medir a mudança no sinal magnético de toda a amostra permite que você meça apenas uma pequena seção.

Existem sistemas MPI semelhantes a este, mas não são sensíveis o suficiente para medir o tipo de minúsculo sinal magnético que viria de uma pequena mudança na temperatura. O desafio para a equipe do NIST é aumentar o sinal significativamente.

"Nossa instrumentação é muito semelhante ao MPI, mas já que temos que medir a temperatura, não apenas medir a presença de um nano-objeto, precisamos essencialmente aumentar nossa relação sinal-ruído sobre MPI em mil ou 10, 000 vezes, "Woods disse.

Eles planejam aumentar o sinal usando tecnologias de ponta. Por exemplo, Woods pode usar dispositivos de interferência quântica supercondutores (SQUIDs), sensores criogênicos que medem mudanças extremamente sutis em campos magnéticos, ou magnetômetros atômicos, que detectam como os níveis de energia dos átomos são alterados por um campo magnético externo. Woods está trabalhando em quais são os melhores para usar e como integrá-los ao sistema de detecção.

A parte final do projeto é garantir que as medições sejam rastreáveis ​​ao SI, um projeto liderado pelo físico do NIST Wes Tew. Isso envolverá medir os sinais magnéticos dos nanotermômetros em diferentes temperaturas que estão sendo medidas simultaneamente por instrumentos padrão.

Outros membros importantes da equipe do NIST incluem Thinh Bui, Eric Rus, Brianna Bosch Correa, Mark Henn, Eduardo Correa e Klaus Quelhas.

Antes de terminar seu novo espaço de laboratório, os pesquisadores conseguiram concluir alguns trabalhos importantes. Em artigo publicado no mês passado no International Journal on Magnetic Particle Imaging , o grupo relatou ter encontrado e testado um material de nanopartículas "promissor" feito de ferro e cobalto, com sensibilidades à temperatura que variaram de forma controlável dependendo de como a equipe preparou o material. Adicionar um material de revestimento apropriado para envolver este "núcleo" de nanopartículas traria a equipe mais perto de criar uma nanopartícula sensível à temperatura de trabalho para Thermal MagIC.

Nas últimas semanas, os pesquisadores fizeram mais progressos testando combinações de materiais para as nanopartículas.

“Apesar do desafio de trabalhar durante a pandemia, tivemos alguns sucessos em nossos novos laboratórios, "Woods disse." Essas conquistas incluem nossas primeiras sínteses de sistemas nanomagnéticos multicamadas para termometria, e medições de temperatura magnética ultra-estável usando técnicas emprestadas da pesquisa do relógio atômico. "