熱画像に革新をもたらす NIST の新プロジェクト「Thermal MagIC」で開発するナノ温度計

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(Thermal MagIC: New NIST Project to Build Nano-Thermometers Could Revolutionize Temperature Imaging)

2020/10/9 アメリカ合衆国・国立標準技術研究所(NIST)

ナノ粒子

・ NIST が、微細な超精密温度計システムの開発を目標とする「Thermal Magnetic Imaging and Control (Thermal MagIC)」プロジェクトにおいて、第一段階の実験を開始。
・ 例えば冷却剤内での熱輸送を微視的な規模で観察してより安価で省エネの冷蔵システムの開発に役立てたり、身体内の炎症を示唆する熱の上昇から医師が疾患を調査したり、3D プリンターによるプラスチック製品内部の温度を微視的に測定して強度と品質を向上させるなど、温度が重要な役割を担う全分野での温度測定を変革する可能性が期待できる。
・ 同温度計システムでは、調査対象となる液体や固体に取り込んだナノサイズの温度計が、温度変化に反応して磁気信号を発する。ワイヤやかさばる外部部品を使用しないリモート検出システムが、この磁気信号を読み取る。
・ 完成した温度計システムでは、最先端技術の 1/10 の時間で 1 万倍小さな体積における 10 倍超の精度での温度測定が可能となる。これは、1/10 秒内で 1 辺 100 マイクロメートルの立方体での 25 ミリケルビン以内の測定精度に等しく、国際単位系(SI)である熱力学温度の基本単位ケルビンの定義に則する。
・ 同温度計システムでは、同プロジェクトが 5 年以内の実現を見込むアプリケーションに対応する、200~400 ケルビン(約-99~260℉)の範囲内の温度の測定を目指している。過冷却超伝導から溶融塩を網羅する 4~600 ケルビンへの測定温度範囲拡大の可能性もあるが、現行の計画には含まれていない。
・ 温度変化に高感度反応して強力な磁気信号を発するナノ温度計には、層構造の磁気材料が必要だが、その特定にはオブジェクト指向マイクロマグネティックフレームワーク(OMMF)と呼ばれる高度なソフトウェアでフィードバックループを形成して調査時間を短縮。現時点での有望な候補は、鉄とコバルトから成るナノ粒子材料で、このナノ粒子コアを適切なシェル材料で包むことでナノ温度計の実現がさらに近づく。
・ 磁気信号の読み取りには、磁気粒子イメージングシステム(MPI)を利用。1 個のボクセルを残し、他の全部分の磁界への反応感度を極限まで上げてからオブジェクト全体の磁気信号の変化を測定する、通常とは逆だが効果的なアプローチを採用。また、微小な温度変化による微細な磁気信号を読み取るには信号強度の増強が必要なため、超伝導量子干渉計(SQUIDs)や原子磁気センサーの利用を検討中。
URL: https://www.nist.gov/news-events/news/2020/10/thermal-magic-new-nist-project-buildnano-thermometers-could-revolutionize

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

International Journal on Magnetic Particle Imaging 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Design and engineering colloidal magnetic particles for nanoscale thermometry
URL: https://journal.iwmpi.org/index.php/iwmpi/article/view/254

Abstract

Thermometry based on magnetic nanoparticles (MNPs) is an emerging technology that allows for remote temperature measurements throughout a volume that are impossible to achieve using conventional probe-based or optical methods.  This metrology is based on the temperature-dependent nature of these particles’ magnetization; however, commercially available MNPs generally display insufficient magneto-thermosensitivity for practical use in applications near room temperature.  Here we present engineered MNPs based on cobalt-doped ferrites developed for 200 K – 400 K thermometry applications.  The synthesis relies on easily scalable solution chemistry routes, and is tunable to afford MNPs of controlled size and composition.  These improved nanothermometers form the basis of our effort to develop a practical means for spatially resolved, 3D, high-sensitivity measurements of temperature based on AC magnetometry.
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