Billigere Kühlschränke? Stärkere Prothesen? Ein besseres Verständnis menschlicher Krankheiten? Dies und mehr könnte eines Tages dank eines ehrgeizigen neuen Projekts von NIST, dem Nationalen Institut für Standards und Technologie in den USA, möglich sein.
NIST-Forscher befinden sich in einem frühen Stadium eines großen Unternehmens. Das Entwerfen und Bauen einer Flotte winziger hochempfindlicher Nanothermometer. Bei Erfolg wird ihr System das erste sein, das Temperaturmessungen in Echtzeit im mikroskopischen Maßstab durchführt. Das Projekt heißt Thermomagnetische Bildgebung und Steuerung (Thermal MagIC).
Echtzeit-Temperatur auf mikroskopischer Ebene
Forscher sagen, dass Thermal MagIC Temperaturmessungen in vielen Bereichen revolutionieren könnte: Biologie, Medizin, chemische Synthese, Kühlung, Automobilindustrie, Materialherstellung. "Nanothermometer könnten in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen die Temperatur eine grundlegende Rolle spielt", sagte der NIST-Physiker Cindi Dennis. "Das ist praktisch überall."
Das NIST-Team hat nun den Bau seiner benutzerdefinierten Laborräume für dieses einzigartige Projekt abgeschlossen und die erste große Phase des Experiments begonnen.
Wie Thermal MagIC funktioniert
Thermal MagIC verwendet Objekte in Nanogröße, deren magnetische Signale sich mit der Temperatur ändern.
Die Objekte würden in die untersuchten Flüssigkeiten oder Feststoffe eingearbeitet: Zum Beispiel geschmolzener Kunststoff, der als Teil eines künstlichen Gelenkersatzes verwendet werden soll, oder flüssiges Kältemittel aus einem Kühlschrank. Ein Fernerkundungssystem könnte dann diese magnetischen Signale empfangen, was bedeutet, dass es sich um ein drahtloses System handelt.
Das Endprodukt könnte Temperaturmessungen zehnmal genauer machen als die fortschrittlichsten Techniken, die in einem Zehntel der Zeit in einem 10-mal kleineren Volumen erfasst wurden.
Was es bedeutet, in Zahlen
Vor der Fertigstellung ihres neuen Laborraums konnten die NIST-Forscher einige wichtige Arbeiten abschließen. In einem Artikel, der letzten Monat im International Journal on Magnetic Particle Imaging veröffentlicht wurdeDas Team berichtete, ein "vielversprechendes" Nanomaterial aus Eisen und Kobalt mit kontrollierbarer Temperaturempfindlichkeit gefunden und getestet zu haben. Ein Schritt, der das Team der Entwicklung eines temperaturempfindlichen Nanopartikels näher brachte, dem Kernstück eines Systems wie Thermal MagIC.
NIST-Nanothermometer könnten in nur einer Zehntelsekunde bei einem Volumen von nur einhundert Mikrometern (Millionstel Meter) pro Seite genaue Messungen auf 25 Millikelvin (Tausendstel Kelvin) genau durchführen.
Das System zielt darauf ab, Temperaturen im Bereich von 200 bis 400 Kelvin (K) zu messen, was -70 bis 126 Grad Celsius entspricht. Das Sortiment würde die meisten potenziellen Anwendungen abdecken, von denen das Thermal MagIC-Team vorhersagt, dass sie in den nächsten 5 Jahren möglich sein werden. Dennis und seine Kollegen sehen das Potenzial für einen viel größeren Temperaturbereich, der von -270 bis +320 Grad reicht. Es würde alles von unterkühlten Supraleitern bis hin zu geschmolzenem Blei umfassen. Dies ist jedoch nicht Teil der aktuellen Entwicklungspläne.
Dies ist eine ziemlich große Veränderung. Wenn wir es schaffen, können wir Dinge tun, die wir uns derzeit nicht einmal vorstellen können. Das neue Projekt von NIST zum Bau von Nanothermometern könnte die Temperaturbildgebung revolutionieren.
Cindi Dennis, NIST-Physikerin
Welche Anwendungen hätten Nanothermometer?
Ob es sich um den Thermostat in Ihrem Wohnzimmer oder ein hochpräzises Instrument für Labormessungen handelt, die meisten heute verwendeten Thermometer können nur relativ große Flächen auf makroskopischer und nicht auf mikroskopischer Ebene messen.
Diese herkömmliche Thermometer Sie sind auch aufdringlich und erfordern Sensoren, die in das zu messende System eindringen und über sperrige Kabel mit einem Lesesystem verbunden werden.
I Infrarot-ThermometerWie die Stirnwerkzeuge, die in vielen Arztpraxen verwendet werden, sind sie weniger aufdringlich. Aber auch sie nehmen nur makroskopische Messungen vor und können unter Oberflächen nicht sehen.
Thermal MagIC sollte es Wissenschaftlern ermöglichen, diese beiden Einschränkungen zu umgehen.
Mit Thermal MagIC konnten Ingenieure zum ersten Mal untersuchen, wie die Wärmeübertragung in verschiedenen Kältemitteln im Mikromaßstab erfolgt, und testen billigere Kühlsysteme und energieintensiv. Sie dienen uns wie Brot.
Ärzte könnten Thermal MagIC für verwenden Krankheiten studierenViele davon sind mit Temperaturerhöhungen (ein Kennzeichen für Entzündungen) in bestimmten Körperteilen verbunden.
Und Hersteller könnten das System für nutzen Bessere Kontrolle von 3D-Druckmaschinen die Kunststoffe verschmelzen, um kundenspezifische Objekte wie medizinische Implantate und Prothesen herzustellen.
