Wetenschappers creëren materiaal dat de temperatuur van nano-objecten kan meten

Wetenschappers van de University of California, Irvine hebben een eendimensionaal nanoschaalmateriaal ontdekt waarvan de kleur verandert als de temperatuur verandert. De resultaten van het team verschijnen in Geavanceerde materialen.

“We ontdekten dat we echt kleine en gevoelige thermometers kunnen maken,” zei Maxx Arguilla, hoogleraar scheikunde aan de UC Irvine, wiens onderzoeksgroep de studie leidde. “Het is een van de meest toegepaste en vertaalbare werken die uit ons lab zijn gekomen.”

Arguilla vergeleek de thermometers met “nano-schaal stemmingsringen”, verwijzend naar de sieraden die van kleur veranderen afhankelijk van de lichaamstemperatuur van de drager. Maar in plaats van simpelweg een kwalitatieve temperatuurmeting te doen, kunnen de veranderingen in de kleur van deze materialen “gekalibreerd worden en gebruikt worden om optisch temperatuurmetingen te doen op nanoschaal”, aldus Arguilla.

“De noodzaak om temperatuur te meten is belangrijk omdat veel biologische en industriële processen afhankelijk zijn van het volgen van kleine veranderingen in temperatuur,” voegde hij toe. “We hebben nu misschien thermometers die we in de cellen kunnen proberen te prikken.”

Volgens Dmitri Cordova, een postdoctoraal onderzoeker in Arguilla’s groep, kunnen de optische thermometers mogelijk ook de temperaturen meten en de efficiëntie van micro- en nano-elektronica beoordelen, inclusief circuits en gegevensopslagapparaten. Industrieën hebben al optische thermometers die ze gebruiken bij het fabriceren van computercomponenten, maar het nieuwe materiaal van het team is “minstens een orde van grootte gevoeliger”, aldus Cordova.

De doorbraak kwam toen Cordova en collega’s kristallen in hun lab lieten groeien, die op nanometerschaal lijken op spiraalvormige ‘slinkies’. Ze lieten de kristallen eerst groeien zodat ze ze aan hittestress konden onderwerpen om te zien bij welke temperaturen de kristallen uiteenvielen.

Cordova en onderzoeker Leo Cheng merkten op dat de kleuren van de kristallen systematisch van geel naar oranje veranderden, afhankelijk van de temperatuur.

Vervolgens deed het team nauwkeurige metingen van het temperatuurbereik waarmee de kleuren overeenkwamen. Ze ontdekten dat lichtgele kleuren overeenkwamen met temperaturen rond de -190 graden Celsius, terwijl roodoranje kleuren overeenkwamen met temperaturen rond de 200 graden Celsius.

“We hebben veel moeite gedaan om ervoor te zorgen dat de metingen nauwkeurig waren”, aldus Arguilla.

Om nanomonsters van het materiaal te verkrijgen, plakte het laboratorium een ​​stukje plakband op kristallen op grote schaal, trok het eraf en bracht de nanomonsters die aan de plakband waren geplakt over op transparante substraten.

“We kunnen deze structuren afpellen en ze gebruiken als nanothermometers die kunnen worden overgebracht, geherconfigureerd en gekoppeld aan andere materialen of oppervlakken”, aldus Arguilla.

Arguilla legde uit dat de ontdekking de eerste stap is naar het ontdekken van nieuwe materiaalsoorten om temperatuurmetingen op nanometerschaal uit te voeren.

Vervolgens wil zijn laboratorium andere nanomaterialen gaan testen om te zien of ze thermometers kunnen ontwikkelen die een groter temperatuurbereik kunnen meten.

“We proberen nu de regels voor materiaalontwerp te hacken om nog gevoeligere materialen te maken,” zei Arguilla. “We proberen de gereedschapskist voor optische thermometrie te openen van de bulkschaal tot de nanoschaal.”

Medeauteurs zijn onder meer Yinong Zhou, Griffin M. Milligan, Leo Cheng, Tyler Kerr, Joseph Ziller en Ruqian Wu.