我们都知道温度，它是表示物体冷热程度的物理量。至今，温度只能通过宏观物体随温度变化的某些特性来间接测量。从微观上来讲，温度是物体分子热运动的剧烈程度，但一直不能从微观的角度来测量它。

美国国家标准与技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）正在执行一个纳米温度计的新项目，从微观的角度来计量温度，这可能会彻底改变我们对温度的想象。如图所示这些用于测量温度的纳米粒核原型，其直径为35纳米。

想在一个不透明的三维体积中以微观尺度实时测量温度？譬如想实时测量不透明的人体及其医疗植入物里外各处的温度？这个纳米温度计的新项目有朝一日将这些变为现实。该项目称为热磁成像和控制，英文全称：ThermalMagneticImagingandControl，简称：ThermalMagIC，直译为：热神奇项目。

NIST物理学家辛迪·丹尼斯（CindiDennis）负责这一项目。她表示，这个项目可能将改变许多领域的温度测量：从生物学、医学、化学合成、制冷、汽车工业、塑料生产，到“几乎在任何温度条件下，”“到处都是。”

该项目通过一种称为纳米级的“温度计”，能从原子尺度通过测量磁性信号随温度的变化来测量热的散逸。这种纳米温度计掺入到所需研究的液体或固体中，譬如掺入到用作人工关节置换的融合塑料中，或者掺入到通过再循环使冰箱能制冷的液体冷却剂中，从而具体认知所置换的人工关节或冰箱制冷的性能，以便于进一步地改进优化。

这样一个微型遥测系统可无处不在，将拾取热散逸的磁信号，没有导线、没有连接物、没有其他笨重的外部物体或设施，这是不是很酷？!

这样的纳米级温度计的测量精度是拥有当今最新技术的温度计的10倍，而体积却缩小了1万倍，在0.1秒的时间里测量的温度精确到25毫开尔文之内，体积仅为百万分之一米。换句话说，这种度量可以“追溯到”国际单位制（InternationalSystemofUnits，缩写SI），其读数可以准确地与世界温度的基本单位开尔文的基本定义相联系。

这样的温度测量系统旨在测量至开尔文（K）范围内的温度，即温度范围约为从-73至摄氏度。这将涵盖大多数潜在的科技应用。研究团队计划下一步更大的温度范围为从4K至K开尔文，范围涵盖从过冷超导体到熔融铅的所有范围。

潜在应用

无论是客厅中的空调，还是科学家用于实验室测量的高精度标准仪器，当今使用的大多数温度计只能在宏观而非微观层面上测量较为窄小的范围。而且这些传统的温度计是接触式的，需要传感器接触穿透被测系统并通过设施连线至读数系统。

即使具有非接触式的，譬如红外温度计，它们仍然仅进行宏观测量，测不到表面下面。科学家们使用这种新的“温度计”将克服这些限制。怎么给细胞量温度？怎么知道细胞发烧？如图所示纳米温度计测量细胞内部的温度。

这项技术将有助于量化肿瘤化疗的效果，在化疗中热量用于消灭癌细胞，癌细胞比其它细胞具有更高的新陈代谢，可能产生更多的热量，医师想知道是否可以通过它们产生的热量鉴定癌细胞并将它们与正常细胞区分开。医生可以使用这种新的“温度计”研究疾病，其中许多疾病与身体特定部位的温度升高，即炎症的标志有关。

工程师们可以使用这种新的“温度计”研究微观尺度上冰箱不同冷却剂之间的传热过程，这有助于寻求更便宜、耗能更少的制冷系统。可以使用该系统更好地控制3D打印机，该打印机熔化塑料以构建自定义对象，例如更好地打印医疗植入物和假肢。由于无法在微尺度上测量温度，因此3D打印开发人员缺少有关塑料固化成物体时内部发生的重要信息。通过让工程师更好地控制3D打印过程，可提高3D打印材料的强度和质量。

软件“气魄”

制作这种新型测温系统的第一步是制造纳米尺寸的磁体，这些磁体将响应温度变化而发出足够的磁信号。丹尼斯说，要获得这种信号，研究人员需要在每个纳米物体中使用多种磁性材料，一种物质的核心将被其他材料如洋葱层般包围。

为了帮助在几个月而不是几十年的时间内达到目标，该团队正在转向复杂的软件：面向对象的微型电磁框架，全称：ObjectOrientedMicroMagneticFramework，简称OOMMF，中文意为“气魄”（oomph），所开发的一种广泛使用的建模程序。

研究团队使用该程序创建反馈回路，研究团队的化学家合成新的纳米物体，然后表征对象的属性，最后将帮助将该信息输入OOMMF，对下一步应该尝试的材料组合做出预测。

工作原理

如何测量三维物体内部微小浓度的纳米温度计响应温度变化发出的信号？研究人员使用一个称为磁性粒子成像器，全称：magneticparticleimager，缩写：MPI，的机器来完成这个任务，该机器围绕样品并测量从纳米粒子发出的磁信号。

实际上，这可以测量一小部分样品所发出的磁信号的变化，这一小部分样品称为“体素”，基本上是3D像素，然后逐次扫描整个样品中的每个体素。

比方说，有一个狗窝，要测量每只狗的叫声。但是麦克风会拾取所有声音。如果同时有多只狗叫，则无法区分具体一只狗的叫声。

如果能以某种方式使每只狗安静下来，譬如用美味的骨头满足狗的嘴，除了其中的一只狗，那么麦克风就能测量每只狗的叫声。可以按顺序对每只狗进行操作。在这个比喻中，每只狗就是一个体素。

基本上，研究人员会最大限度地通过少量样品测试所有样品对磁场的反应能力。这犹如用美味的骨头满足狗的嘴。然后，有效地测量整个样本中的磁信号变化。类似于磁性粒子成像器（MPI）系统，但其灵敏度不足以测量由于温度的微小变化而产生的微小磁信号，研究团队面临的挑战是如何显着增强信号。

研究人员说，“我们的仪器与MPI非常相似，但是由于必须测量温度，而不仅仅是测量纳米体的存在，因此本质上需要将MPI的信噪比提高1千到1万倍。”使用最先进的技术来增强信号。例如，使用超导量子干扰设备（superconductingquantuminterferencedevices，SQUID），测量磁场中非常细微变化的低温传感器，或使用原子磁力计（atomicmagnetometer）来检测外部磁场如何改变原子的能级。

该研究团队在最近发表在《国际磁性粒子成像杂志》上的一篇论文中说，发现并测试了一种由铁和钴制成的“有前途的”纳米颗粒材料，其温度敏感度可控地取决于准备材料的方式。添加适当的外壳材料来包裹该纳米粒子“核”将更接近创建对温度敏感的工作纳米粒子。

参考：Designandengineeringcolloidalmagneticparticlesfornanoscalethermometry.InternationalJournalonMagneticParticleImaging.DOI:10./ijmpi..9068

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