Los termómetros pueden hacer muchas cosas:medir la temperatura en el centro de su pollo perfectamente estofado o indicarle si debe dejar a su hijo en casa y no ir a la escuela debido a una enfermedad. Pero debido a su tamaño, los usos de los termómetros tradicionales aún son limitados.
"¿Cómo se mide de forma no invasiva la temperatura dentro de un sistema vivo como el humano?" dijo Thinh Bui del NIST. "O en otros entornos a los que puede resultar difícil acceder, por ejemplo, la temperatura dentro de un chaleco de Kevlar cuando una bala lo penetra. ¿Cómo se puede acceder a eso? No se puede colocar un termómetro tradicional allí".
Si los investigadores tuvieran un sistema de termometría que pudiera medir pequeños cambios de temperatura, con alta resolución espacial, dentro de objetos opacos a la luz, eso podría revolucionar los campos de la medicina y la fabricación.
Para abordar estas necesidades, los investigadores del NIST están trabajando en un ambicioso proyecto llamado Control e Imágenes Magnéticas Térmicas, o "Thermal MagIC". Thermal MagIC mide las respuestas magnéticas de esferas de tamaño nanométrico, hechas de metal u otras sustancias, incrustadas en el objeto cuya temperatura se está midiendo. Las señales magnéticas recogidas por el sistema corresponden a temperaturas específicas. Más allá de simplemente medir la temperatura, los investigadores de Thermal MagIC pretenden crear un termómetro con alta resolución espacial:un sistema de imágenes de temperatura.
Cuatro años y muchos hitos en el proyecto, el equipo de investigación acaba de publicar un artículo que caracteriza completamente la sensibilidad a la temperatura y la resolución espacial de su sistema de imágenes, un paso necesario para crear una "cámara de termometría" confiable. El artículo está publicado en Scientific Reports .
"El objetivo de Thermal MagIC es desarrollar una técnica general para obtener imágenes y mediciones de temperatura en quizás algunos de los entornos más desafiantes que se puedan tener", dijo Bui. "Estoy satisfecho con cómo han ido las cosas hasta ahora. Das pequeños pasos durante mucho tiempo y luego, de repente, hay un gran salto, lo que nos lleva a descubrimientos que nos llevan a la raíz de cómo se puede lograr la mejor resolución de imagen espacial con imágenes magnéticas."
Thermal MagIC consta de dos sistemas que funcionan juntos. La primera parte consta de los propios sensores:esferas de tamaño nanométrico cuyas señales magnéticas cambian con la temperatura. Estas diminutas partículas, compuestas de óxido de hierro, se incorporarían a los líquidos o sólidos estudiados.
La segunda parte es el instrumento que excita magnéticamente las pequeñas esferas y luego lee su señal.
Todo tipo de sistema de imágenes (ya sea un microscopio o un telescopio, o en este caso un generador de imágenes de partículas magnéticas) tiene un límite en su resolución espacial; no puede ver objetos más pequeños que cierto tamaño. Para probar este límite en Thermal MagIC, Bui y sus colegas primero colocaron sus nanopartículas en una serie de pequeños pozos, en grupos de cuatro, llenos de solución. Cada pozo en un cuarteto estaba separado de los otros pozos por una cierta cantidad, desde 0,1 mm (muy juntos) hasta 1 mm (más separados).
A veces, el generador de imágenes podía distinguir claramente cada uno de los cuatro pozos. Otras veces, los cuatro se fusionaban en una o dos manchas. Los investigadores probaron qué partes de la señal distinguían mejor los pozos entre sí.
Una parte clave de la señal que los investigadores pueden captar en su sistema Thermal MagIC son sus armónicos.
Es posible que aquellos con formación musical ya estén familiarizados con el término. Una sola nota tocada con un clarinete tiene una frecuencia primaria de sonido:la nota principal, digamos "La bemol". Pero ese tono también contiene una serie de otras frecuencias más débiles (armónicos de la nota principal) que le dan al clarinete su calidad de sonido distintiva. Un clarinete y un oboe pueden tocar la misma nota, pero suenan distintos entre sí gracias a sus diferentes armónicos, que surgen de diferencias en las formas y tamaños de los instrumentos y en los materiales utilizados para fabricarlos.
Los armónicos en las señales magnéticas de las nanopartículas en Thermal MagIC funcionan de manera similar. En este caso, sin embargo, la frecuencia principal no son las ondas sonoras, sino una señal magnética pulsante producida por las nanopartículas. Los armónicos son señales magnéticas pulsantes de frecuencias más altas, producidas por una receta única de materiales y condiciones en el sistema.
La misma nanopartícula podría exponerse a la misma excitación magnética. Pero dependiendo de la temperatura a la que estuvo expuesta la partícula, sus armónicos magnéticos serían diferentes:la nanopartícula más fría podría "sonar" como un clarinete, pero la nanopartícula más cálida podría "sonar" como un oboe.
En el estudio actual, los investigadores encontraron que medir los armónicos más altos (las señales armónicas con frecuencias más altas) en lugar de los armónicos más bajos les dio una mejor resolución espacial; es decir, pudieron distinguir los cuatro pozos entre sí incluso cuando estaban espaciados bastante cerca. juntos. Medir la relación entre un armónico superior y uno inferior les dio una imagen aún más clara.
Con esta configuración, pudieron evaluar las diferencias de temperatura con un margen de error de tan solo 500 mikelvin (milésimas de kelvin) en un volumen de sólo 63 nanolitros (milmillonésimas de litro).
Los autores del artículo incluyen a Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton y Solomon Woods.
El próximo gran hito será la primera medición sobre un gradiente de temperatura, lo que permitiría a Thermal MagIC graduarse hasta convertirse en un verdadero sistema de imágenes de temperatura.
"Hasta ahora, he medido una muestra de nanopartículas a una temperatura única a la vez", dijo Bui. "La verdadera imagen térmica requiere un sistema que tenga muchas temperaturas en diferentes regiones locales y luego cuantifique y obtenga imágenes de las variaciones en las regiones locales. Y eso es lo que nos estamos esforzando por hacer en los próximos meses".
Más información: Thinh Q. Bui et al, Dependencia armónica de imágenes de partículas magnéticas térmicas, Informes científicos (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42620-1
Información de la revista: Informes científicos
Proporcionado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía del NIST. Lea la historia original aquí.
