Frigoriferi più economici? Protesi più forti? Una migliore comprensione delle malattie umane? Questo e altro potrebbe essere possibile un giorno, grazie a un nuovo ambizioso progetto del NIST, il National Institute of Standards and Technology negli USA.
I ricercatori del NIST sono nelle prime fasi di un’enorme impresa. Quella di progettare e costruire una flotta di minuscoli nano termometri ultrasensibili. Se avranno successo, il loro sistema sarà il primo a effettuare misurazioni in tempo reale della temperatura su scala microscopica. Il progetto si chiama Thermal Magnetic Imaging and Control (Thermal MagIC).
Temperatura in tempo reale a livello microscopico
I ricercatori affermano che Thermal MagIC potrebbe rivoluzionare le misurazioni della temperatura in molti campi: biologia, medicina, sintesi chimica, refrigerazione, industria automobilistica, produzione di materiali. “I nano termometri potrebbero servire in tutti i campi nei quali la temperatura gioca un ruolo fondamentale “, ha detto il fisico del NIST Cindi Dennis. “Cioè praticamente ovunque.”
Il team del NIST ha ora finito di costruire i suoi spazi di laboratorio personalizzati per questo progetto unico e ha iniziato la prima grande fase dell’esperimento.
Come funziona Thermal MagIC
Thermal MagIC funzionerà utilizzando oggetti di dimensioni nanometriche i cui segnali magnetici cambiano con la temperatura.
Gli oggetti verrebbero incorporati nei liquidi o solidi studiati: ad esempio la plastica fusa da utilizzare come parte di una sostituzione artificiale delle articolazioni, o il refrigerante liquido di un frigorifero. Un sistema di telerilevamento potrebbe quindi raccogliere questi segnali magnetici, il che significa che sarebbe un sistema wireless.
Il prodotto finale potrebbe effettuare misurazioni della temperatura 10 volte più precise delle tecniche più avanzate, acquisite in un decimo del tempo in un volume 10.000 volte più piccolo.
Cosa significa, in cifre
Prima di terminare il loro nuovo spazio di laboratorio, i ricercatori del NIST hanno potuto completare alcuni importanti lavori. In un articolo pubblicato il mese scorso sull’International Journal on Magnetic Particle Imaging, il gruppo ha riferito di aver trovato e testato un nanomateriale “promettente” fatto di ferro e cobalto, con sensibilità alla temperatura che varia in modo controllabile. Un passo che ha reso il team più vicino alla creazione di una nanoparticella sensibile alla temperatura, il fulcro di un sistema come Thermal MagIC.
I nano termometri del NIST potrebbero effettuare misurazioni accurate entro 25 millikelvin (millesimi di kelvin) in appena un decimo di secondo, in un volume di appena cento micrometri (milionesimi di metro) per lato.
Il sistema mira a misurare le temperature nell’intervallo da 200 a 400 kelvin (K), ovvero da -70 a 126 gradi Celsius. Il range coprirebbe la maggior parte delle potenziali applicazioni che il team Thermal MagIC prevede saranno possibili entro i prossimi 5 anni. Dennis e i suoi colleghi vedono il potenziale per un intervallo di temperatura molto più ampio, che si estende da -270 a +320 gradi. Comprenderebbe qualsiasi cosa, dai superconduttori super raffreddati al piombo fuso. Ma questo non fa parte degli attuali piani di sviluppo.
Questo è un cambiamento epocale abbastanza grande. Se riusciremo a realizzarlo, si potranno fare cose che attualmente non possiamo nemmeno immaginare. Il nuovo progetto NIST per costruire nano termometri potrebbe rivoluzionare l’imaging della temperatura.
Cindi Dennis, fisico NIST
Che applicazioni avrebbero i nano termometri?
Che si tratti del termostato nel tuo soggiorno o di uno strumento di alta precisione per misurazioni di laboratorio, la maggior parte dei termometri usati oggi può misurare solo aree relativamente grandi, a livello macroscopico anziché microscopico.
Questi termometri convenzionali sono anche intrusivi e richiedono sensori per penetrare nel sistema da misurare e per collegarsi a un sistema di lettura tramite cavi ingombranti.
I termometri a infrarossi, come gli strumenti per la fronte utilizzati in molti studi medici, sono meno invadenti. Anche loro però effettuano solo misurazioni macroscopiche e non possono vedere sotto le superfici.
Thermal MagIC dovrebbe consentire agli scienziati di aggirare entrambi questi limiti.
Gli ingegneri potrebbero utilizzare Thermal MagIC per studiare, per la prima volta, come avviene il trasferimento di calore nei diversi refrigeranti su microscala, e testare sistemi di refrigerazione più economici e ad alta intensità energetica. Ci servono come il pane.
I medici potrebbero utilizzare Thermal MagIC per studiare le malattie, molte delle quali sono associate ad aumenti di temperatura (un segno distintivo dell’infiammazione) in parti specifiche del corpo.
E i produttori potrebbero utilizzare il sistema per controllare meglio le macchine da stampa 3D che fondono la plastica per costruire oggetti personalizzati come impianti medici e protesi.
