热魔法温度成像的新革命

　　想买更便宜的冰箱？想用更强韧的髋关节植入物？想要更好地了解人类疾病？美国国家标准与技术研究院（NIST）正在进行的一项新项目，可能在未来某一天将这一切变成现实，甚至实现更多的想法。
　　NIST的研究人员正处于设计和制造微型超灵敏温度计的早期阶段。如果他们成功了，这个系统将是第一个侵入不透明的三维体积中对微观温度进行实时测量的系统——可能包括医用植入物、冰箱，甚至人体。
　　该项目被称为＂热魔法＂——热磁成像和控制，研究人员说，它可能在许多领域掀起温度测量的革命，例如生物学、医学、化学合成、制冷、汽车工业、塑料生产等等。＂温度几乎在任何地方都起着关键作用，＂NIST的物理学家Cindi Dennis说，＂可以说是无处不在。＂
　　NIST团队现在已经为这个独特项目定制了实验室，并开始了实验的第一个主要阶段。
　　＂热魔法＂将通过使用纳米大小的磁体来工作，它的磁信号随着温度的变化而变化。这些磁体将与被研究的液体或固体合为一体——熔化的塑料可能被用作人工关节置换的一部分，或者冷却剂通过冰箱再循环。遥感系统将接收到这些磁性信号，这就意味着被研究的系统将不会受到导线或其他庞大的外部物体所影响。
　　最终产品可以使温度测量比目前最先进的技术精确10倍，在体积小1万倍的情况下只需要过去十分之一的时间就可以得到测量值。这就相当于在不到十分之一秒的时间内，在体积只有100μm的情况下，测量的准确度在25mK之内。测量值可以追溯到国际单位制（SI）；换句话说，它的读数可以精确地与世界上最基本的温度单位——开尔文的基本定义相关联。
　　该系统的目标是测量200~400K范围内的温度，约为-73~127℃。这将覆盖大多数潜在的应用——至少包含了＂热魔法＂团队预计在未来5年内实现的应用。Dennis和她的同事们看到了更大温度范围的潜力，从4K到 600K，这将包括从过冷超导体到熔融铅的一切物体。但这不是当前发展计划的一部分。
　　Dennis说:＂这是一个巨大的转变，我们期待如果能开发这个项目，实际上我们也相信可以做成，其他人也将接受它并真正地使用运行，然后去做一些我们目前无法想象的事情。＂潜在的应用主要集中在研发方面，Dennis表示，不断增长的知识很可能将渗透到各种产品中，包括3D打印机、冰箱和药品等。＂热魔法＂有什么好处?
　　无论是客厅里的恒温器，还是科学家们用于实验室测量的高精度标准仪器，如今使用的大多数温度计只能测量相对较大的区域——在宏观上而不是在微观上。这些传统的温度计是侵入式的，需要传感器穿透被测系统，并通过大量导线连接到读出系统。
　　而红外线温度计，如许多医生办公室使用的前额测量仪器，则侵入性较低。但它们仍然只能进行宏观测量，不能测到表面之下。
　　＂‘热魔法’技术可以让科学家绕过这两个限制＂，Dennis说。
　　工程师们可以首次利用＂热魔法＂来研究不同冷却剂之间的热传递是如何在微观尺度上发生的，这将有助于他们寻找更便宜、能耗更低的制冷系统。
　　医生们可以利用＂热魔法＂来研究疾病，其中许多疾病与身体特定部位的温度升高有关，而温度升高是炎症的标志。
　　制造商可以利用该系统更好地控制3D打印机器，这些机器可以熔化塑料来制造定制的物品，如医用植入物和假肢。由于无法在微尺度上测量温度，3D打印的开发人员就无法了解塑料凝固成物体时内部发生了什么。通过让工程师更多地控制3D打印过程，总有那么一天，更多的知识将提高3D打印材料的强度和质量。利用微磁模拟软件OOMMF
　　制造这种新型测温系统的第一步是制造纳米尺寸的磁体，这种磁体会在温度变化时发出强烈的磁场信号。为了使微粒浓度尽可能低，磁铁对温度变化的敏感度需要比现有的任何物体高出10倍。
　　Dennis说，为了获得这种信号，研究人员可能需要在每个纳米物体上使用多种磁性材料。物质的核心会被其他材料包围，就像洋葱一样，一层一层的。
　　问题是实际上有无穷无尽的属性组合可以被调整，包括材料的成分、尺寸、形状、层数和厚度，甚至材料的数量。筛查所有这些潜在的组合并测试每个组合对物体温度敏感性的影响，可能需要几辈子的时间才能完成。
　　为了帮助他们在几个月而不是数十年的时间内达到目标，该团队开始求助于复杂的软件：OOMMF，这是一个由NIST研究人员Mike Donahue和Don Porter开发的广泛使用的建模程序。
　　＂热魔法＂团队将使用这个程序来创建一个反馈循环。NIST的科学家Thomas Moffat、 Angela Hight Walker和Adam Biacchi将合成新的纳米物体；然后Dennis和她的团队将刻画这些物体的属性；最后，Donahue将帮助他们将这些信息输入到OOMMF，它将预测他们接下来应该尝试的材料组合。
　　＂在磁性纳米物体方面，我们已经取得了一些非常有希望的结果，但我们还没有完全成功。＂Dennis说。每只狗都是一个体素
　　那么，他们是如何测量三维物体内部微小浓度的纳米温度计在温度变化时发出的信号呢？他们用一种叫做磁粒子成像仪(MPI)的机器来完成这项工作，该机器将样品包裹起来，并测量纳米粒子发出的磁信号。
　　他们有效地测量一个小体积样本（叫作＂体素＂，概念上类似二维空间的像素）发出的磁信号的变化，然后一次性扫描整个样本的体素。
　　但NIST的物理学家Solomon Woods说很难集中在一个磁场，所以他们反过来实现了他们的目标。
　　思考这样一个比喻。假设你有一个狗舍，你想测量每只狗叫的声音有多大。但你只有一个麦克风。如果有几只狗同时在叫，你的麦克风可以接收到所有的声音，无法分辨出不同的狗叫声。然而，如果你能想办法让每个狗都安静下来——假设用骨头堵住它们的嘴——除了一只在角落里的可卡犬，那么你的麦克风还是会收集到房间里的所有声音，但唯一的狗叫声将是可卡犬发出的。
　　理论上，你可以按顺序对每只狗都这样做——首先是可卡犬，接着是獒犬，然后是拉布拉多犬——每次只留下一只狗没有骨头。
　　在这个比喻中，每只狗都是一个体素。
　　基本上，研究人员最大限度地利用了除一小部分样本外的所有样本对磁场做出反应的能力。这相当于把美味的骨头塞进每只狗的嘴里。然后，通过测量整个样本的磁信号变化，就可以有效地测量一小部分。
　　虽然存在类似的MPI系统，但它们的灵敏度还不足以测量温度微小变化所产生的微小磁性信号。NIST团队面临的挑战是如何显著增强信号。
　　＂我们的仪器与MPI非常相似，但是我们必须测量温度，而不仅仅是测量纳米物体的存在，本质上需要将我们的信噪比在MPI上提高1000~10000倍＂ ，Woods说。
　　图片作者：Adam Biacchi/NIST
　　图1：用于测温的纳米颗粒原型图像。这个物体由氧化铁和钴组成，直径只有8nm，是一个很好的纳米粒子＂核心＂的候选，它将被包裹在一个不同材料的外壳中。
　　图2：一组由氧化铁和钴制成的原型纳米颗粒芯。每个粒子的直径只有9.5 nm。
　　图3：一个稍微大一点的纳米颗粒芯原型。这些粒子的直径是35nm。
　　他们计划使用最先进的技术来增强信号。例如，Woods可能会使用超导量子干涉装置（SQUIDs）——测量磁场中变化极其微秒的低温传感器，或者检测原子能量水平如何被外部磁场改变的原子磁强计。Woods正在研究哪些是最好使用的，以及如何将它们集成到探测系统中。
　　该项目的最后一部分是确保测量结果可以追溯到国际单位制，这是一个由NIST物理学家Wes Tew领导的项目。这将包括测量纳米温度计在不同温度下的磁信号，而这些温度是由标准仪器同时测量的。
　　其他关键的NIST团队成员包括Thinh Bui, Eric Rus, Brianna Bosch Correa, Mark Henn, Eduardo Correa和Klaus Quelhas。
　　在建成他们的新实验室之前，研究人员完成了一些重要的工作。在上个月发表在《国际磁粒子成像杂志》上的一篇论文中，该研究小组报告称，他们发现并测试了一种＂很有前途＂的纳米颗粒材料，这种材料由铁和钴组成，其温度敏感性根据研究小组制备材料的方式而可控地变化。加入一种合适的外壳材料来包裹纳米颗粒＂核心＂，将有助于研究团队为＂热魔法＂创造一种可工作的热敏纳米颗粒。
　　在过去的几周里，研究人员在测试纳米颗粒的材料组合方面取得了进一步的进展。
　　Woods说：＂尽管在疫情期间开展工作面临挑战，但我们的新实验室已经取得了一些成功。这些成就包括我们首次合成用于测温的多层纳米磁系统，以及利用从原子钟研究中借鉴的超稳定磁温度测量技术。＂