Выбирай : Покупай : Используй
в фокусе
0

Сверхчувствительные нанотермометры устроят революцию в холодильной технике

Более дешевые холодильники станут возможными благодаря новому масштабному проекту по созданию крошечных сверхчувствительных термометров. Если проект увенчается успехом, то мир получит первую систему, которая способна измерять температуру внутри объектов в режиме реального времени и создавать температурную 3D-карту, причем в микромасштабе. Это открытие повлияет не только на холодильную технику — оно может привести даже к прорыву в биомедицине.

Весьма амбициозный проект реализует Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) — ученые института сейчас находятся на ранних стадиях разработки. Проект под названием Thermal MagIC буквально может произвести революцию в холодильной технике и заметно повлияет на другие сферы: медицину, биологию, автопромышленность, промышленное производство и т.д. — словом, на все отрасли, где измерение температуры очень важно.

Задача проекта — разработка нанометровых сверхчувствительных термометров, которые будут измерять температуру в непрозрачном трехмерном объекте в микромасштабе.

Измерение и контроль температуры в 3D имеют огромное значение для медицинской диагностики, высокоточного производства и многих других отраслей. На фото — схема измерения температуры трехмерного объекта, нанотермометр располагается внутри него. Изображение: NIST

Сейчас идет первая фаза исследований. Ученые работают с нанообъектами, которые меняют свои магнитные сигналы вместе с температурой. Эти объекты внедряют в различные твердые тела и жидкости, например, в жидкий хладагент, который является компонентом современных холодильников, и в расплавленный пластик, используемый в имплантах. Объекты не имеют проводов — сигналы от них поступают на систему дистанционного зондирования в виде магнитных полей. В результате температура измеряется в 10 раз точнее, чем могут обеспечить все существующие сейчас методы.

Система работает с измерением температуры в диапазоне от 200 до 400 К, что соответствует диапазону от –73 до 127 °С.  Диапазон достаточно широкий, чтобы технология нашла применение во многих сферах. Сейчас исследователи видят потенциал для расширения предела до 600 К (327 °С), и тогда новая система может применяться даже в расплавленном свинце.

Первый шаг в разработке новой системы термометрии — создание наноразмерных магнитов, которые будут излучать сильное магнитное поле в ответ на изменения температуры. Чтобы сохранить концентрацию частиц на максимально низком уровне, эти магниты должны быть в 10 чувствительнее к изменениям температуры, чем любые известные в настоящее время. Чтобы добиться этого, исследователям потребуется использовать несколько магнитных материалов в каждом нанообъекте.  Для ускорения процесса подбора они прибегли к помощи пакета трехмерного микромагнитного моделирования OOMMF.

В настоящее время нет возможности измерить температуру в трехмерном формате внутри сложных систем, и термометрия Thermal MagIC обещает решить эту задачу, используя крошечные наноразмерные термометры

Измерение сигналов от нанотермометров внутри объекта в ответ на изменения температуры происходит с помощью так называемого способа формирования изображений с использованием магнитных частиц (MPI) — специальный прибор измеряет магнитный сигнал, исходящий от наночастиц.

В статье, недавно опубликованной в International Journal on Magnetic Particle Imaging, участники проекта уже доложили, что найден и протестирован многообещающий материал из наночастиц железа и кобальта с температурной чувствительностью, которая контролируется и меняется в зависимости от воздействия на материал. 

Но чего в результате хотят добиться ученые? Дело в том, что большинство используемых в современном мире термометров измеряют температуру на относительно больших площадях — т. е. на макроскопическом, а не на микроскопическом уровне. Это относится и к обычным оконным термометрам, и высокоточным приборам в научных лабораториях. Также датчики должны каким-либо образом контактировать с системой, температура которой измеряется, и подключаются к системе считывания с помощью проводов.

Да, существуют и инфракрасные бесконтактные термометры. Но и они выполняют только макроскопические измерения и не могут «видеть» под поверхностью — нельзя выполнить точные измерения внутри объектов. Проект Thermal MagIC позволит обойти эти ограничения.

Новый способ термометрии произведет революцию не только в холодильной технике. Например, при 3D-печати медицинских имплантов очень важно знать температуру внутри объекта — так можно делать более точные и качественные протезы

Так, инженеры смогут изучить, как происходит передача тепла в различных охлаждающих жидкостях в микроскопическом масштабе, что поможет им в поисках более дешевых и менее энергоемких систем охлаждения. Врачи смогут применять Thermal MagIC для более глубокого изучения заболеваний, основной симптом которых — повышение температуры тела как признак воспаления.

В биомедицине у системы большой потенциал при создании медицинских имплантов и протезов — лучше можно будет управлять 3D-принтерами, в которых плавится пластик. Без возможности измерения температуры в микромасштабе разработчики 3D-устройств упускают важную информацию о том, что происходит внутри пластика, когда он превращается в конкретный объект, поэтому иногда хромает прочность и качество результата.

 Распечатать
Комментарии