Réfrigérateurs moins chers ? Des implants de hanche plus solides ? Une meilleure compréhension de la maladie humaine ? Tout cela pourrait être possible et plus encore, un jour, grâce à un nouveau projet ambitieux en cours au National Institute of Standards and Technology (NIST).

Les chercheurs du NIST en sont aux premiers stades d'un vaste projet de conception et de construction d'une flotte de minuscules thermomètres ultra-sensibles. S'ils réussissent, leur système sera le premier à effectuer des mesures de température en temps réel à l'échelle microscopique dans un volume 3D opaque - qui pourrait inclure des implants médicaux, réfrigérateurs, et même le corps humain.

Le projet s'appelle Thermal Magnetic Imaging and Control (Thermal MagIC), et les chercheurs disent qu'il pourrait révolutionner les mesures de température dans de nombreux domaines :biologie, Médicament, synthèse chimique, réfrigération, l'industrie automobile, production de plastique - "à peu près partout, la température joue un rôle critique, ", a déclaré la physicienne du NIST Cindi Dennis. "Et c'est partout."

L'équipe du NIST a maintenant terminé la construction de ses espaces de laboratoire personnalisés pour ce projet unique et a commencé la première grande phase de l'expérience.

Thermal MagIC fonctionnera en utilisant des objets de taille nanométrique dont les signaux magnétiques changent avec la température. Les objets seraient incorporés dans les liquides ou les solides étudiés - le plastique fondu qui pourrait être utilisé dans le cadre d'un remplacement articulaire artificiel, ou le liquide de refroidissement étant remis en circulation dans un réfrigérateur. Un système de télédétection capterait alors ces signaux magnétiques, ce qui signifie que le système à l'étude serait exempt de fils ou d'autres objets externes encombrants.

Le produit final pourrait faire des mesures de température 10 fois plus précises que les techniques de pointe, acquis en un dixième du temps dans un tome 10, 000 fois plus petit. Cela équivaut à des mesures précises à moins de 25 millikelvins (millièmes de kelvin) en aussi peu qu'un dixième de seconde, dans un volume d'à peine cent micromètres (millionièmes de mètre) de côté. Les mesures seraient "traçables" au système international d'unités (SI); en d'autres termes, ses lectures pourraient être liées avec précision à la définition fondamentale du kelvin, l'unité de température de base du monde.

Le système vise à mesurer des températures sur la plage de 200 à 400 kelvin (K), qui est d'environ -99 à 260 degrés Fahrenheit (F). Cela couvrirait la plupart des applications potentielles, au moins celles que l'équipe de Thermal MagIC envisage seront possibles dans les 5 prochaines années. Dennis et ses collègues voient le potentiel d'une plage de température beaucoup plus large, s'étendant de 4 K-600 K, qui engloberait tout, des supraconducteurs surfondus au plomb fondu. Mais cela ne fait pas partie des plans de développement actuels.

"Il s'agit d'un changement radical suffisamment important pour que nous nous attendions à ce que si nous pouvons le développer - et nous sommes convaincus que nous le pouvons - d'autres personnes le prendront et le feront vraiment avec et feront des choses que nous ne pouvons pas imaginer actuellement, ", a déclaré Denis.

Les applications potentielles sont principalement dans la recherche et le développement, mais Dennis a déclaré que l'augmentation des connaissances se répercuterait probablement sur une variété de produits, incluant éventuellement des imprimantes 3D, réfrigérateurs, et médicaments.

À quoi ça sert?

Qu'il s'agisse du thermostat de votre salon ou d'un instrument standard de haute précision que les scientifiques utilisent pour les mesures en laboratoire, la plupart des thermomètres utilisés aujourd'hui ne peuvent mesurer que des zones relativement grandes, au niveau macroscopique par opposition au niveau microscopique. Ces thermomètres conventionnels sont également intrusifs, nécessitant que des capteurs pénètrent dans le système à mesurer et se connectent à un système de lecture par des fils volumineux.

Thermomètres infrarouges, tels que les instruments frontaux utilisés dans de nombreux cabinets de médecins, sont moins intrusifs. Mais ils ne font toujours que des mesures macroscopiques et ne peuvent pas voir sous les surfaces.

Thermal MagIC devrait permettre aux scientifiques de contourner ces deux limitations, dit Dennis.

Les ingénieurs pourraient utiliser Thermal MagIC pour étudier, pour la première fois, comment le transfert de chaleur se produit dans différents liquides de refroidissement à l'échelle microscopique, ce qui pourrait aider leur quête pour trouver moins cher, systèmes de réfrigération moins énergivores.

Les médecins pourraient utiliser Thermal MagIC pour étudier les maladies, dont beaucoup sont associés à des augmentations de température - une caractéristique de l'inflammation - dans des parties spécifiques du corps.

Et les fabricants pourraient utiliser le système pour mieux contrôler les machines d'impression 3D qui font fondre le plastique pour construire des objets personnalisés tels que des implants médicaux et des prothèses. Sans la capacité de mesurer la température à l'échelle microscopique, Les développeurs d'impression 3D manquent d'informations cruciales sur ce qui se passe à l'intérieur du plastique lorsqu'il se solidifie en un objet. Plus de connaissances pourraient un jour améliorer la résistance et la qualité des matériaux imprimés en 3D, en donnant aux ingénieurs plus de contrôle sur le processus d'impression 3D.

Donner OOMMF

La première étape de la fabrication de ce nouveau système de thermométrie consiste à créer des aimants de taille nanométrique qui émettront des signaux magnétiques puissants en réponse aux changements de température. Pour maintenir les concentrations de particules aussi faibles que possible, les aimants devront être 10 fois plus sensibles aux changements de température que tous les objets qui existent actuellement.

Pour obtenir ce genre de signal, Dennis a dit, les chercheurs devront probablement utiliser plusieurs matériaux magnétiques dans chaque nano-objet. Un noyau d'une substance sera entouré d'autres matériaux comme les couches d'un oignon.

Le problème est qu'il existe des combinaisons pratiquement infinies de propriétés qui peuvent être modifiées, y compris la composition des matériaux, Taille, forme, le nombre et l'épaisseur des couches, ou encore le nombre de matériaux. Passer en revue toutes ces combinaisons potentielles et tester chacune d'entre elles pour son effet sur la sensibilité à la température de l'objet pourrait prendre plusieurs durées de vie.

Pour les aider à y arriver en mois au lieu de décennies, l'équipe se tourne vers des logiciels sophistiqués :l'Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), un programme de modélisation largement utilisé développé par les chercheurs du NIST Mike Donahue et Don Porter.

L'équipe Thermal MagIC utilisera ce programme pour créer une boucle de rétroaction. les chimistes du NIST Thomas Moffat, Angela Hight Walker et Adam Biacchi synthétiseront de nouveaux nano-objets. Ensuite, Dennis et son équipe caractériseront les propriétés des objets. Et enfin, Donahue les aidera à alimenter ces informations dans OOMMF, qui fera des prédictions sur les combinaisons de matériaux qu'ils devraient essayer ensuite.

"Nous avons des résultats très prometteurs du côté des nano-objets magnétiques, mais nous n'en sommes pas encore là, ", a déclaré Denis.

Chaque chien est un voxel

Alors, comment mesurent-ils les signaux émis par de minuscules concentrations de nano-thermomètres à l'intérieur d'un objet 3D en réponse aux changements de température ? Ils le font avec une machine appelée imageur à particules magnétiques (MPI), qui entoure l'échantillon et mesure un signal magnétique provenant des nanoparticules.

Effectivement, ils mesurent les changements du signal magnétique provenant d'un petit volume de l'échantillon, appelé "voxel" - essentiellement un pixel 3D - puis parcourez l'ensemble de l'échantillon, un voxel à la fois.

Mais il est difficile de focaliser un champ magnétique, a déclaré le physicien du NIST Solomon Woods. Ils atteignent donc leur objectif à l'envers.

Considérez une métaphore. Disons que vous avez un chenil, et vous voulez mesurer à quel point chaque chien aboie. Mais vous n'avez qu'un seul microphone. Si plusieurs chiens aboient à la fois, votre micro captera tout ce son, mais avec un seul micro, vous ne pourrez pas distinguer l'aboiement d'un chien de celui d'un autre.

Cependant, si vous pouviez calmer chaque chien d'une manière ou d'une autre - peut-être en occupant sa gueule avec un os - à l'exception d'un seul cocker dans le coin, alors votre micro capterait toujours tous les sons de la pièce, mais le seul bruit viendrait du cocker.

En théorie, vous pouvez le faire avec chaque chien dans l'ordre, d'abord le cocker, puis le dogue à côté, puis le labradoodle suivant dans la file, laissant à chaque fois un seul chien sans os.

Dans cette métaphore, chaque chien est un voxel.

Essentiellement, les chercheurs maximisent la capacité de tout sauf un petit volume de leur échantillon à répondre à un champ magnétique. (C'est l'équivalent de remplir la gueule de chaque chien avec un délicieux os.) Ensuite, mesurer le changement de signal magnétique à partir de l'ensemble de l'échantillon vous permet de mesurer efficacement cette petite section.

Des systèmes MPI similaires existent mais ne sont pas assez sensibles pour mesurer le type de minuscule signal magnétique qui proviendrait d'un petit changement de température. Le défi pour l'équipe du NIST est d'amplifier le signal de manière significative.

"Notre instrumentation est très similaire au MPI, mais puisque nous devons mesurer la température, non seulement mesurer la présence d'un nano-objet, nous devons essentiellement augmenter notre rapport signal sur bruit par rapport au MPI de mille ou dix, 000 fois, ", a déclaré Woods.

Ils prévoient d'amplifier le signal en utilisant des technologies de pointe. Par exemple, Woods peut utiliser des dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID), des capteurs cryogéniques qui mesurent des changements extrêmement subtils de champs magnétiques, ou magnétomètres atomiques, qui détectent comment les niveaux d'énergie des atomes sont modifiés par un champ magnétique externe. Woods travaille sur les meilleurs à utiliser et comment les intégrer dans le système de détection.

La dernière partie du projet consiste à s'assurer que les mesures sont traçables au SI, un projet dirigé par le physicien du NIST Wes Tew. Il s'agira de mesurer les signaux magnétiques des nano-thermomètres à différentes températures qui sont mesurés simultanément par des instruments standards.

Les autres membres clés de l'équipe du NIST incluent Thinh Bui, Eric Rus, Brianna Bosch Correa, Marc Henn, Eduardo Correa et Klaus Quelhas.

Avant de terminer leur nouvel espace de laboratoire, les chercheurs ont pu accomplir des travaux importants. Dans un article publié le mois dernier dans le Journal international sur l'imagerie des particules magnétiques , le groupe a indiqué avoir trouvé et testé un matériau nanoparticulaire « prometteur » composé de fer et de cobalt, avec des sensibilités à la température qui variaient de manière contrôlable en fonction de la façon dont l'équipe a préparé le matériau. L'ajout d'un matériau de coque approprié pour envelopper ce "noyau" de nanoparticules rapprocherait l'équipe de la création d'une nanoparticule sensible à la température pour Thermal MagIC.

Au cours des dernières semaines, les chercheurs ont fait de nouveaux progrès en testant des combinaisons de matériaux pour les nanoparticules.

« Malgré le défi de travailler pendant la pandémie, nous avons eu quelques succès dans nos nouveaux laboratoires, " a déclaré Woods. " Ces réalisations incluent nos premières synthèses de systèmes nanomagnétiques multicouches pour la thermométrie, et des mesures de température magnétique ultra-stable à l'aide de techniques empruntées à la recherche sur l'horloge atomique."