Refrigeradores más baratos? ¿Implantes de cadera más fuertes? ¿Una mejor comprensión de las enfermedades humanas? Todo esto podría ser posible – ScienceDaily

Refrigeradores más baratos? ¿Implantes de cadera más fuertes? ¿Una mejor comprensión de las enfermedades humanas? Todo esto podría ser posible y más, algún día, gracias a un nuevo y ambicioso proyecto en marcha en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

Los investigadores del NIST se encuentran en las primeras etapas de una empresa masiva para diseñar y construir una flota de diminutos termómetros ultrasensibles. Si tienen éxito, su sistema será el primero en realizar mediciones de temperatura en tiempo real en la escala microscópica en un volumen 3D opaco, que podría incluir implantes médicos, refrigeradores e incluso el cuerpo humano.

El proyecto se llama Imagen y control magnético térmico (Thermal MagIC), y los investigadores dicen que podría revolucionar las mediciones de temperatura en muchos campos: biología, medicina, síntesis química, refrigeración, industria automotriz, producción de plástico, “prácticamente en cualquier lugar donde juegue la temperatura. un papel fundamental “, dijo la física del NIST Cindi Dennis. “Y eso está en todas partes”.

El equipo de NIST ha terminado de construir sus espacios de laboratorio personalizados para este proyecto único y ha comenzado la primera fase importante del experimento.

Thermal MagIC funcionará utilizando objetos de tamaño nanométrico cuyas señales magnéticas cambian con la temperatura. Los objetos se incorporarían a los líquidos o sólidos que se están estudiando: el plástico derretido que podría usarse como parte de un reemplazo de articulación artificial, o el refrigerante líquido que se recircula a través de un refrigerador. Un sistema de detección remota captaría estas señales magnéticas, lo que significa que el sistema que se está estudiando estaría libre de cables u otros objetos externos voluminosos.

El producto final podría realizar mediciones de temperatura 10 veces más precisas que las técnicas de vanguardia, adquiridas en una décima parte del tiempo en un volumen 10,000 veces más pequeño. Esto equivale a mediciones con una precisión de 25 milikelvin (milésimas de kelvin) en tan solo una décima de segundo, en un volumen de solo cien micrómetros (millonésimas de metro) de lado. Las medidas serían “rastreables” al Sistema Internacional de Unidades (SI); en otras palabras, sus lecturas podrían relacionarse con precisión con la definición fundamental del kelvin, la unidad básica de temperatura del mundo.

El sistema tiene como objetivo medir temperaturas en el rango de 200 a 400 kelvin (K), que es de -99 a 260 grados Fahrenheit (F). Esto cubriría la mayoría de las aplicaciones potenciales, al menos las que el equipo de Thermal MagIC prevé que serán posibles en los próximos 5 años. Dennis y sus colegas ven potencial para un rango de temperatura mucho mayor, que se extiende desde 4 K-600 K, que abarcaría todo, desde superconductores superenfriados hasta plomo fundido. Pero eso no forma parte de los planes de desarrollo actuales.

“Este es un cambio radical lo suficientemente grande que esperamos que si podemos desarrollarlo, y tenemos la confianza de que podemos, otras personas lo tomarán y realmente lo harán y harán cosas que actualmente no podemos imaginar”. Dijo Dennis.

Las aplicaciones potenciales se encuentran principalmente en la investigación y el desarrollo, pero Dennis dijo que el aumento en el conocimiento probablemente se reduciría a una variedad de productos, posiblemente incluidas impresoras 3D, refrigeradores y medicamentos.

¿Para que sirve?

Ya sea el termostato en su sala de estar o un instrumento estándar de alta precisión que los científicos usan para mediciones de laboratorio, la mayoría de los termómetros que se usan hoy en día solo pueden medir áreas relativamente grandes, a un nivel macroscópico en lugar de microscópico. Estos termómetros convencionales también son intrusivos, y requieren que los sensores penetren en el sistema que se está midiendo y se conecten a un sistema de lectura mediante cables voluminosos.

Los termómetros infrarrojos, como los instrumentos para la frente que se utilizan en muchos consultorios médicos, son menos intrusivos. Pero todavía solo hacen mediciones macroscópicas y no pueden ver debajo de las superficies.

Thermal MagIC debería permitir a los científicos sortear ambas limitaciones, dijo Dennis.

Los ingenieros podrían usar Thermal MagIC para estudiar, por primera vez, cómo se produce la transferencia de calor dentro de diferentes refrigerantes a microescala, lo que podría ayudarles en su búsqueda para encontrar sistemas de refrigeración más baratos y que consuman menos energía.

Los médicos podrían usar Thermal MagIC para estudiar enfermedades, muchas de las cuales están asociadas con aumentos de temperatura, un sello distintivo de la inflamación, en partes específicas del cuerpo.

Y los fabricantes podrían usar el sistema para controlar mejor las máquinas de impresión 3D que derriten plástico para construir objetos personalizados como implantes médicos y prótesis. Sin la capacidad de medir la temperatura a microescala, los desarrolladores de impresión 3D están perdiendo información crucial sobre lo que sucede dentro del plástico mientras se solidifica en un objeto. Un mayor conocimiento podría mejorar la resistencia y la calidad de los materiales impresos en 3D algún día, dando a los ingenieros más control sobre el proceso de impresión 3D.

Dándole OOMMF

El primer paso para hacer este nuevo sistema de termometría es crear imanes de tamaño nanométrico que emitirán fuertes señales magnéticas en respuesta a los cambios de temperatura. Para mantener las concentraciones de partículas lo más bajas posible, los imanes deberán ser 10 veces más sensibles a los cambios de temperatura que cualquier objeto que exista actualmente.

Para obtener ese tipo de señal, dijo Dennis, los investigadores probablemente necesitarán usar múltiples materiales magnéticos en cada nanoobjeto. Un núcleo de una sustancia estará rodeado por otros materiales como las capas de una cebolla.

El problema es que existen combinaciones prácticamente infinitas de propiedades que se pueden modificar, incluida la composición, el tamaño, la forma, el número y el grosor de las capas de los materiales, o incluso el número de materiales. Analizar todas estas combinaciones potenciales y probar cada una de ellas para determinar su efecto sobre la sensibilidad a la temperatura del objeto podría llevar varias vidas para lograrlo.

Para ayudarlos a llegar allí en meses en lugar de décadas, el equipo está recurriendo a un software sofisticado: el Marco MicroMagnetic Orientado a Objetos (OOMMF), un programa de modelado ampliamente utilizado desarrollado por los investigadores del NIST Mike Donahue y Don Porter.

El equipo de Thermal MagIC utilizará este programa para crear un circuito de retroalimentación. Los químicos del NIST Thomas Moffat, Angela Hight Walker y Adam Biacchi sintetizarán nuevos nano-objetos. Luego, Dennis y su equipo caracterizarán las propiedades de los objetos. Y finalmente, Donahue les ayudará a introducir esa información en OOMMF, que hará predicciones sobre qué combinaciones de materiales deberían probar a continuación.

“Tenemos algunos resultados muy prometedores desde el lado de los nano-objetos magnéticos, pero aún no hemos llegado a ese punto”, dijo Dennis.

Cada perro es un vóxel

Entonces, ¿cómo miden las señales emitidas por pequeñas concentraciones de nanotermómetros dentro de un objeto 3D en respuesta a los cambios de temperatura? Lo hacen con una máquina llamada generador de imágenes de partículas magnéticas (MPI), que rodea la muestra y mide una señal magnética que sale de las nanopartículas.

Efectivamente, miden los cambios en la señal magnética que sale de un pequeño volumen de la muestra, llamado “vóxel”, básicamente un píxel 3D, y luego escanean toda la muestra, un vóxel a la vez.

Pero es difícil enfocar un campo magnético, dijo el físico del NIST Solomon Woods. Entonces logran su objetivo al revés.

Considere una metáfora. Supongamos que tiene una perrera y desea medir qué tan fuerte está ladrando cada perro. Pero solo tienes un micrófono. Si varios perros ladran a la vez, su micrófono captará todo ese sonido, pero con un solo micrófono no podrá distinguir el ladrido de un perro de otro.

Sin embargo, si pudiera calmar a cada perro de alguna manera, tal vez ocupando su boca con un hueso, a excepción de un solo cocker spaniel en la esquina, entonces su micrófono seguiría captando todos los sonidos en la habitación, pero el único sonido sería del cocker spaniel.

En teoría, podría hacer esto con cada perro en secuencia, primero el cocker spaniel, luego el mastín a su lado, luego el labradoodle siguiente en la fila, cada vez dejando solo un perro sin huesos.

En esta metáfora, cada perro es un vóxel.

Básicamente, los investigadores maximizan la capacidad de todos menos un pequeño volumen de su muestra para responder a un campo magnético. (Esto es el equivalente a llenar la boca de cada perro con un hueso delicioso). Luego, medir el cambio en la señal magnética de toda la muestra le permite medir de manera efectiva solo esa pequeña sección.

Existen sistemas MPI similares a este, pero no son lo suficientemente sensibles como para medir el tipo de pequeña señal magnética que vendría de un pequeño cambio de temperatura. El desafío para el equipo de NIST es aumentar la señal de manera significativa.

“Nuestra instrumentación es muy similar a MPI, pero dado que tenemos que medir la temperatura, no solo medir la presencia de un nanoobjeto, esencialmente necesitamos aumentar nuestra relación señal-ruido sobre MPI en mil o 10,000 veces”. Dijo Woods.

Planean aumentar la señal utilizando tecnologías de última generación. Por ejemplo, Woods puede usar dispositivos de interferencia cuántica superconductores (SQUID), sensores criogénicos que miden cambios extremadamente sutiles en los campos magnéticos o magnetómetros atómicos, que detectan cómo los niveles de energía de los átomos cambian por un campo magnético externo. Woods está trabajando en cuáles son los mejores para usar y cómo integrarlos en el sistema de detección.

La parte final del proyecto es asegurarse de que las mediciones sean rastreables hasta el SI, un proyecto dirigido por el físico Wes Tew del NIST. Eso implicará medir las señales magnéticas de los nanotermómetros a diferentes temperaturas que se miden simultáneamente con instrumentos estándar.

Otros miembros clave del equipo de NIST incluyen a Thinh Bui, Eric Rus, Brianna Bosch Correa, Mark Henn, Eduardo Correa y Klaus Quelhas.

Antes de terminar su nuevo espacio de laboratorio, los investigadores pudieron completar un trabajo importante. En un artículo publicado el mes pasado en el Revista internacional de imágenes de partículas magnéticas, el grupo informó que habían encontrado y probado un material de nanopartículas “prometedor” hecho de hierro y cobalto, con sensibilidades a la temperatura que variaban de manera controlable dependiendo de cómo el equipo preparara el material. Agregar un material de cubierta apropiado para revestir este “núcleo” de nanopartículas acercaría al equipo a la creación de una nanopartícula sensible a la temperatura de trabajo para Thermal MagIC.

En las últimas semanas, los investigadores han avanzado aún más probando combinaciones de materiales para las nanopartículas.

“A pesar del desafío de trabajar durante la pandemia, hemos tenido algunos éxitos en nuestros nuevos laboratorios”, dijo Woods. “Estos logros incluyen nuestra primera síntesis de sistemas nanomagnéticos multicapa para termometría y mediciones de temperatura magnéticas ultraestables utilizando técnicas tomadas de la investigación del reloj atómico”.

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