Ученые Калифорнийского университета в Ирвайне обнаружили одномерный наноматериал, цвет которого меняется при изменении температуры. Результаты работы команды опубликованы в журнале Advanced Materials.
«Мы обнаружили, что можем создавать действительно маленькие и чувствительные термометры», — сказал Макс Аргилья, профессор химии Калифорнийского университета в Ирвайне, чья исследовательская группа руководила исследованием. «Это одна из самых прикладных и переводимых работ, вышедших из нашей лаборатории».
Аргилья сравнил термометры с «наномасштабными кольцами настроения», имея в виду украшения, которые меняют цвет в зависимости от температуры тела владельца. Но вместо того, чтобы просто снимать качественные показания температуры, изменения цвета этих материалов можно калибровать и использовать для оптического снятия показаний температуры в наномасштабе.
«Необходимость измерения температуры важна, поскольку множество биологических и промышленных процессов зависят от отслеживания мельчайших изменений температуры», — добавил он. «Теперь у нас могут быть термометры, которые мы могли бы попытаться ввести в клетки».
По словам соавтора исследования Дмитрия Кордовы, оптические термометры также потенциально могут измерять температуру и оценивать эффективность микро- и наноэлектроники, включая схемы и устройства хранения данных. В промышленности уже есть оптические термометры, которые они используют при изготовлении компьютерных компонентов, но новый материал команды «по крайней мере на порядок более чувствителен».
Прорыв произошел, когда Кордова и коллеги вырастили в своей лаборатории кристаллы , которые — в масштабах нанометров — напоминают спиральные «пружинки». Сначала они выращивали кристаллы, чтобы подвергнуть их тепловому стрессу и посмотреть, при каких температурах кристаллы распадаются.
Кордова и другой соавтор исследования Лео Ченг заметили, что цвет кристаллов систематически менялся от желтого до оранжевого в зависимости от температуры.
Затем группа провела точные измерения температурного диапазона, которому соответствовали цвета, и обнаружила, что светло-желтые цвета соответствовали температурам около -190 градусов по Цельсию, а красно-оранжевые цвета соответствовали температурам около 200 градусов по Цельсию.
«Мы приложили немало усилий, чтобы убедиться, что измерения были точными», — сказал Аргилья.
Для извлечения наноразмерных образцов материала в лаборатории приклеили кусочек клейкой ленты к кристаллам в большом масштабе, отклеили ее и перенесли наноразмерные образцы, приклеенные к ленте, на прозрачные подложки.
«Мы можем отделить эти структуры и использовать их в качестве наноразмерных термометров, которые можно переносить, реконфигурировать и соединять с другими материалами или поверхностями», — сказал Аргилья.
Аргилья объяснил, что это открытие является первым шагом на пути к открытию новых классов материалов для измерения температуры в нанометровых масштабах.
Далее его лаборатория планирует протестировать другие наноматериалы, чтобы посмотреть, можно ли разработать термометры , способные измерять более широкий диапазон температур.
«Сейчас мы пытаемся взломать правила проектирования материалов, чтобы сделать еще более чувствительные материалы», — сказал Аргилья. «Мы пытаемся открыть ящик инструментов для оптической термометрии от объемного масштаба до наномасштаба».
