Os termômetros podem fazer muitas coisas:medir a temperatura no centro do seu frango perfeitamente refogado ou dizer se você deve manter seu filho em casa, longe da escola, devido a uma doença. Mas devido ao seu tamanho, o uso dos termômetros tradicionais ainda é limitado.



"Como você mede de forma não invasiva a temperatura dentro de um sistema vivo como o humano?" disse Thinh Bui do NIST. "Ou em outros ambientes que podem ser de difícil acesso - digamos, a temperatura dentro de um colete de Kevlar quando uma bala o penetra. Como você tem acesso a isso? Você não pode colocar um termômetro tradicional lá."

Se os pesquisadores tivessem um sistema de termometria que pudesse medir pequenas mudanças de temperatura, com alta resolução espacial, dentro de objetos opacos à luz, isso poderia revolucionar potencialmente os campos da medicina e da manufatura.

Para atender a essas necessidades, os pesquisadores do NIST estão trabalhando em um projeto ambicioso chamado Thermal Magnetic Imaging and Control, ou "Thermal MagIC". Thermal MagIC mede as respostas magnéticas de esferas nanométricas, feitas de metal ou outras substâncias, embutidas no objeto cuja temperatura está sendo medida. Os sinais magnéticos coletados pelo sistema correspondem a temperaturas específicas. Indo além da simples medição de temperatura, os pesquisadores do Thermal MagIC pretendem fabricar um termômetro com alta resolução espacial – um sistema de imagem de temperatura.

Quatro anos e muitos marcos no projeto, a equipe de pesquisa acaba de publicar um artigo que caracteriza completamente a sensibilidade à temperatura e a resolução espacial de seu sistema de imagem, um passo necessário para criar uma "câmera termométrica" ​​confiável. O artigo foi publicado em Scientific Reports .

“O objetivo do Thermal MagIC é desenvolver uma técnica geral para imagens e medições de temperatura em alguns dos ambientes mais desafiadores que você pode ter”, disse Bui. "Estou satisfeito com a forma como as coisas têm corrido até agora. Você dá pequenos passos durante muito tempo e, de repente, há um grande salto, levando-nos a descobertas que nos levam à raiz de como a melhor resolução de imagem espacial pode ser alcançada com imagem magnética."

Thermal MagIC consiste em dois sistemas trabalhando juntos. A primeira parte consiste nos próprios sensores:esferas de tamanho nanométrico cujos sinais magnéticos mudam com a temperatura. Essas minúsculas partículas, feitas de óxido de ferro, seriam incorporadas aos líquidos ou sólidos em estudo.

A segunda parte é o instrumento que excita magneticamente as minúsculas esferas e depois lê o seu sinal.

Todo tipo de sistema de imagem – seja um microscópio ou um telescópio, ou neste caso um gerador de imagens de partículas magnéticas – tem um limite para sua resolução espacial; não consegue ver objetos menores que um determinado tamanho. Para testar este limite no Thermal MagIC, Bui e colegas primeiro colocaram as suas nanopartículas numa série de pequenos poços – em grupos de quatro – cheios de solução. Cada poço em um quarteto foi espaçado dos outros poços por uma certa distância, em qualquer lugar de 0,1 mm (muito próximos) a 1 mm (mais afastados).

Às vezes, o gerador de imagens conseguia identificar cada um dos quatro poços distintamente. Outras vezes, o quarteto se fundia em uma ou duas bolhas. Os pesquisadores testaram quais partes do sinal distinguiam melhor os poços uns dos outros.

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Uma parte importante do sinal que os pesquisadores podem captar em seu sistema Thermal MagIC são seus harmônicos.

Quem tem formação musical já deve estar familiarizado com o termo. Uma única nota tocada com um clarinete tem uma frequência sonora primária - a nota principal, digamos, um "Lá bemol". Mas esse tom também contém uma série de outras frequências mais fracas – harmônicos da nota principal – que conferem ao clarinete sua qualidade sonora distinta. Um clarinete e um oboé podem tocar a mesma nota, mas soam distintos um do outro graças aos seus diferentes harmônicos, que surgem das diferenças nas formas e tamanhos dos instrumentos e dos materiais usados ​​para fazê-los.

Os harmônicos nos sinais magnéticos das nanopartículas no Thermal MagIC funcionam de maneira semelhante. Neste caso, porém, a frequência principal não são as ondas sonoras, mas um sinal magnético pulsante produzido pelas nanopartículas. Os harmônicos são sinais magnéticos pulsantes de frequências mais altas, produzidos por uma receita única de materiais e condições no sistema.

A mesma nanopartícula poderia ser exposta à mesma excitação magnética. Mas dependendo da temperatura a que a partícula foi exposta, as suas harmónicas magnéticas seriam diferentes:a nanopartícula mais fria poderia “soar” como um clarinete, mas a nanopartícula mais quente poderia “soar” como um oboé.

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No estudo atual, os pesquisadores descobriram que medir harmônicos mais altos (os sinais harmônicos com frequências mais altas) em vez de harmônicos mais baixos deu-lhes melhor resolução espacial – isto é, eles foram capazes de distinguir os quatro poços uns dos outros, mesmo quando estavam bem espaçados. junto. Medir a proporção entre um harmônico mais alto e um harmônico mais baixo deu-lhes uma imagem ainda mais clara.

Com esta configuração, eles foram capazes de avaliar diferenças de temperatura de apenas 500 milikelvin (milésimos de Kelvin) em um volume de apenas 63 nanolitros (bilionésimos de litro).

Os autores do artigo incluem Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton e Solomon Woods.

O próximo grande marco será a primeira medição em um gradiente de temperatura, o que permitiria que o Thermal MagIC se transformasse em um verdadeiro sistema de imagem de temperatura.

“Até agora, medi uma amostra de nanopartículas a uma única temperatura de cada vez”, disse Bui. "A verdadeira imagem térmica requer um sistema que tenha muitas temperaturas em diferentes regiões locais e, em seguida, quantifique e gere imagens das variações nas regiões locais. E é isso que estamos nos esforçando para fazer nos próximos meses."

Mais informações: Thinh Q. Bui et al, Dependência harmônica de imagens de partículas magnéticas térmicas, Relatórios Científicos (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42620-1
Informações do diário: Relatórios Científicos

Fornecido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia

Esta história foi republicada como cortesia do NIST. Leia a história original aqui.