Exploration des détails d’une nouvelle « caméra thermométrique » ambitieuse

Les thermomètres peuvent faire beaucoup de choses : mesurer la température au centre de votre poulet parfaitement braisé ou vous indiquer si votre enfant doit rester à la maison après l’école en raison d’une maladie. Mais en raison de leur taille, les utilisations des thermomètres traditionnels restent limitées.

« Comment mesurer de manière non invasive une température à l’intérieur d’un système vivant tel qu’un humain ? » a déclaré Thinh Bui du NIST. « Ou dans d’autres environnements qui peuvent être difficiles d’accès, par exemple la température à l’intérieur d’un gilet en Kevlar lorsqu’une balle le pénètre. Comment y accéder ? Vous ne pouvez pas y insérer un thermomètre traditionnel. »

Si les chercheurs disposaient d’un système de thermométrie capable de mesurer d’infimes changements de température, avec une haute résolution spatiale, à l’intérieur d’objets opaques à la lumière, cela pourrait potentiellement révolutionner les domaines de la médecine et de l’industrie.

Pour répondre à ces besoins, les chercheurs du NIST travaillent sur un projet ambitieux appelé Thermal Magnetic Imaging and Control, ou « Thermal MagIC ». Thermal MagIC mesure les réponses magnétiques de sphères de taille nanométrique, constituées de métal ou d’autres substances, incrustées dans l’objet dont la température est mesurée. Les signaux magnétiques collectés par le système correspondent à des températures spécifiques. Au-delà de la simple mesure de la température, les chercheurs de Thermal MagIC visent à créer un thermomètre à haute résolution spatiale : un système d’imagerie de la température.

Quatre années et de nombreuses étapes franchies dans le projet, l’équipe de recherche vient de a publié un article caractériser pleinement la sensibilité à la température et la résolution spatiale de leur système d’imagerie, une étape nécessaire vers la création d’une « caméra thermométrique » fiable. Le document est publié dans Rapports scientifiques.

« L’objectif de Thermal MagIC est de développer une technique générale d’imagerie et de mesure de la température dans certains des environnements les plus difficiles que l’on puisse rencontrer », a déclaré Bui. « Je suis satisfait de la façon dont les choses se sont déroulées jusqu’à présent. Vous faites de petits pas pendant longtemps, puis tout d’un coup, il y a un grand saut, nous conduisant à des découvertes qui nous amènent à l’origine de la façon dont la meilleure résolution spatiale d’image peut être obtenue avec imagerie magnétique. »

Thermal MagIC se compose de deux systèmes fonctionnant ensemble. La première partie est constituée des capteurs eux-mêmes : des sphères de taille nanométrique dont les signaux magnétiques changent avec la température. Ces minuscules particules, constituées d’oxyde de fer, seraient incorporées aux liquides ou solides étudiés.

La deuxième partie est l’instrument qui excite magnétiquement les minuscules sphères puis lit leur signal.

Chaque type de système d’imagerie, qu’il s’agisse d’un microscope ou d’un télescope, ou dans ce cas d’un imageur à particules magnétiques, a une limite à sa résolution spatiale ; il ne peut pas voir les objets inférieurs à une certaine taille. Pour tester cette limite dans Thermal MagIC, Bui et ses collègues ont d’abord placé leurs nanoparticules dans une série de minuscules puits, groupés par quatre, remplis de solution. Chaque puits d’un quatuor était espacé des autres puits d’une certaine quantité, allant de 0,1 mm (très rapprochés) à 1 mm (plus éloignés).

Parfois, l’imageur pouvait distinguer distinctement chacun des quatre puits. D’autres fois, le quatuor fusionnait en un ou deux blobs. Les chercheurs ont testé quelles parties du signal distinguaient le mieux les puits les uns des autres.

Les harmoniques sont un élément clé du signal que les chercheurs peuvent capter dans leur système Thermal MagIC.

Ceux qui ont une formation musicale connaissent peut-être déjà ce terme. Une seule note jouée avec une clarinette a une fréquence sonore principale : la note principale, disons un « la bémol ». Mais ce son contient également une série d’autres fréquences plus faibles – les harmoniques de la note principale – qui confèrent à la clarinette sa qualité sonore distinctive. Une clarinette et un hautbois jouent peut-être la même note, mais ils se distinguent l’un de l’autre grâce à leurs différentes harmoniques, qui résultent des différences dans les formes et tailles des instruments et dans les matériaux utilisés pour leur fabrication.

Les harmoniques des signaux magnétiques des nanoparticules de Thermal MagIC fonctionnent de la même manière. Dans ce cas, cependant, la fréquence principale n’est pas constituée d’ondes sonores mais d’un signal magnétique pulsé produit par les nanoparticules. Les harmoniques sont des signaux magnétiques pulsés de fréquences plus élevées, produits par une recette unique de matériaux et de conditions dans le système.

La même nanoparticule pourrait être exposée à la même excitation magnétique. Mais selon la température à laquelle la particule est exposée, ses harmoniques magnétiques seraient différentes : la nanoparticule la plus froide pourrait « sonner » comme une clarinette, mais la nanoparticule la plus chaude pourrait « sonner » comme un hautbois.

Dans la présente étude, les chercheurs ont découvert que la mesure des harmoniques supérieures (les signaux harmoniques avec des fréquences plus élevées) plutôt que des harmoniques inférieures leur donnait une meilleure résolution spatiale, c’est-à-dire qu’ils étaient capables de distinguer les quatre puits les uns des autres même lorsqu’ils étaient assez proches. ensemble. La mesure du rapport entre une harmonique supérieure et une harmonique inférieure leur a donné une image encore plus claire.

Avec cette configuration, ils ont pu évaluer des différences de température à seulement 500 millikelvins (millièmes de kelvin) dans un volume de seulement 63 nanolitres (milliardièmes de litre).

Les auteurs de l’article incluent Thinh Bui, Mark-Alexander Henn, Weston Tew, Megan Catterton et Solomon Woods.

La prochaine étape importante sera la première mesure sur un gradient de température, ce qui permettrait à Thermal MagIC de devenir un véritable système d’imagerie de température.

« Jusqu’à présent, j’ai mesuré un échantillon de nanoparticules à une seule température à la fois », a déclaré Bui. « La véritable imagerie thermique nécessite un système qui mesure de nombreuses températures dans différentes régions locales, puis quantifie et image les variations entre les régions locales. Et c’est ce que nous nous efforçons de faire dans les mois à venir. »

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lire l’histoire originale ici.