新突破！用于嵌入式温度测量的磁性纳米传感器

美国NIST的热磁成像与控制项目正在开发纳米级别的温度传感器

位于马里兰州的美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员正在开发一种纳米级超灵敏温度传感器阵列，据悉，这种传感器可以嵌入到各种材料中。

该系统将是第一个在不透明的三维体积中对微观温度进行实时测量的系统，其中可能包括医用植入物、冰箱、电子设备，甚至是人体。

该团队介绍，热磁成像和控制(Thermal MagIC)项目可能会给生物学、医学、化学合成、制冷、汽车工业、塑料生产等许多领域的温度测量带来革命变化。NIST的物理学家Cindi Dennis:“几乎任何地方的温度都起着关键作用。”“这是无处不在。”

Thermal MagIC将通过使用磁信号随温度变化的纳米级物体来发挥作用。这些传感器将被植入到被研究的液体或固体中，例如可作为人工关节置换的一部分的融化塑料中，或通过冰箱循环的液体冷却剂中。遥感系统将接收到这些磁性信号，被研究的系统将不会受到导线或其他笨重的外部物体的影响。

它可以使温度测量的精确度比最先进的技术提高10倍，精确度在100毫秒内达到25millikelvin。测量可到国际单位制(SI);换句话说，它的读数可以精确地与开尔文的基本定义相关联。（开尔文是世界上最基本的温度单位）

该系统旨在测量200至400开尔文(K)， -73至126摄氏度的温度范围。有可能实现更大的温度范围。

Dennis:“这是一个巨大的变化，如果我们能开发出来，我们有信心会用到更多领域，并做一些我们目前无法想象的事情。”

第一步是制造纳米级别的磁体，这种磁体能在温度变化时发出强烈的磁性信号。它们对温度变化的敏感度要比现有的任何物体高出10倍。

为了找到材料和结构的正确组合，该团队正在使用NIST开发的建模软件。面向对象的微磁学模拟软件OOMMF将用于识别新材料并进行合成，然后进行表征。结果将反馈到OOMMF，以预测他们下一步应该尝试何种材料组合。

“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，但我们还没有到那一步。”

研究小组已经发现并测试了一种很有前景的纳米颗粒材料，这种材料由铁和钴组成，其温度敏感性根据制备材料的方式可控地变化。加入适当的外壳材料来包裹纳米颗粒的核心，将使研究小组更接近于为Thermal MagIC创造一个工作的温度敏感纳米颗粒。

来自磁体的信号将由一个磁粒子成像仪(MPI)的变体采集，该磁粒子成像器围绕样品并测量出纳米粒子发出的磁信号。

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增强信号。

NIST的物理学家Solomon Woods:“我们的仪器与MPI非常相似，但因为我们必须测量温度，而不仅仅是测量纳米物体的存在，我们本质上需要将MPI的信噪比提高1000到10000倍。”

他们计划使用诸如SQUID(超导量子干涉装置)、测量磁场极其细微变化的低温传感器，或者检测外部磁场如何改变原子能级的原子磁强计等技术来增强信号。

该项目的最后一部分是确保测量结果可以追溯到SI，这是一个由NIST物理学家韦斯·图领导的项目。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。

Woods:“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。”