Ученые IBM изобрели термометр для наномасштаба

Лаборатория IBM, ответственная за изобретение сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа, изобрела еще один важный инструмент, который поможет нам понять наномасштаб.

Точное измерение температуры объектов в наномасштабе было сложной задачей для ученых на протяжении десятилетий. Современные методы неточны и обычно создают артефакты, ограничивающие их надежность.

В связи с этой проблемой и необходимостью точно определять температуру новых конструкций транзисторов для удовлетворения потребностей будущих когнитивных компьютеров, ученые из IBM и ETH Zurich изобрели революционный метод измерения температуры нано- и макро-объектов. . Запатентованное изобретение впервые раскрывается сегодня в рецензируемом журнале Nature Communications, Отображение температуры работающих наноразмерных устройств с помощью термометрии сканирующего зонда ( doi:10.1038 / ncomms10874)

История изобретений

В 1980-х годах ученые IBM Герд Бинниг и покойный Генрих Рорер хотели напрямую исследовать электронную структуру и недостатки поверхности. Инструмента, необходимого для проведения таких измерений, еще не существовало. Итак, они сделали то, что сделал бы любой хороший ученый:они изобрели одного. Он стал известен как сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), открыв дверь в нанотехнологии. Спустя всего несколько лет изобретение было удостоено высшей награды - Нобелевской премии по физике 1986 года.

Спустя более 30 лет ученые IBM продолжают идти по стопам Биннига и Рорера, создавая свое последнее изобретение.

Доктор Фабиан Менгес, научный сотрудник IBM и соавтор технологии, сказал:«Мы начали еще в 2010 году и просто никогда не сдавались. Предыдущие исследования были сосредоточены на наноразмерном термометре, но нам следовало изобрести термометр для наномасштаба - важное отличие. Эта корректировка побудила нас разработать метод, сочетающий локальное тепловое зондирование с измерительными возможностями микроскопа - мы называем это термометрией сканирующего зонда ».

Ученый IBM Фабиан Менгес со своим изобретением.

Как это работает:термометрия сканирующего зонда

Наиболее распространенный метод измерения температуры на макроуровне - это термический контакт термометра с образцом. Так работает термометр. Когда он помещается под язык, он уравновешивается с температурой нашего тела, так что мы можем определить нашу температуру на уровне 37 градусов Цельсия. К сожалению, использование термометра для измерения наноскопического объекта становится немного сложнее.

Например, было бы невозможно использовать обычный термометр для измерения температуры отдельного вируса. Размер вируса слишком мал, и градусник не может уравновесить его без значительного изменения температуры вируса.

Чтобы решить эту проблему, ученые IBM разработали метод неравновесной контактной термометрии за одно сканирование для измерения температуры наноскопических объектов с помощью сканирующего зонда.

Поскольку сканирующий зонд-термометр и объект не могут достичь теплового равновесия в наномасштабе, одновременно измеряются два сигнала:небольшой тепловой поток и его сопротивление тепловому потоку. Комбинируя эти два сигнала, можно затем количественно определить температуру наноскопических объектов для получения точного результата.

Ученый IBM доктор Бернд Гоцманн и соавтор изобретения объясняют:«Этот метод аналогичен прикосновению к горячей плите и определению ее температуры на основе измерения теплового потока между нашим телом и источником тепла. По сути, кончик зонда - это наша рука. Наше восприятие горячего и холодного может быть очень полезным для понимания температуры объекта, но оно также может вводить в заблуждение, если сопротивление тепловому потоку неизвестно ».

Раньше ученые неточно учитывали эту зависимость от резистентности; но только для измерения скорости передачи тепловой энергии через поверхность, известной как тепловой поток. В статье авторы включили эффекты локальных изменений термического сопротивления для измерения температуры нанопроволоки арсенида индия (InAs) и самонагревающегося золотого межсоединения с комбинацией пространственного разрешения в несколько милликельвинов и нескольких нанометров.

Менгес добавляет:«Сканирующий зонд-термометр не только точен, но и соответствует требованиям трех инструментов:он прост в эксплуатации, прост в сборке и очень универсален, поскольку его можно использовать для измерения температуры нано- и микроразмеров. горячие точки, которые могут локально влиять на физические свойства материалов или управлять химическими реакциями в таких устройствах, как транзисторы, ячейки памяти, термоэлектрические преобразователи энергии или плазмонные структуры. Приложения бесконечны ».

Слева направо, ученые IBM Нико Моссо, Бернд Гоцманн, Фабиан Моцфельд и Фабиан Менгес в Лаборатории без шума.

Лаборатория без шума

Неслучайно команда начала видеть улучшения в разработке сканирующего зондового термометра 18 месяцев назад, когда они переместили свои исследования в новую лабораторию Noise Free Labs - шесть метров под землей в Центре нанотехнологий Биннига и Рорера на территории исследовательского центра IBM. Цюрих.

Эта уникальная среда, которая защищает эксперименты от вибрации, акустического шума, электромагнитных сигналов и температурных колебаний, помогла команде достичь точности менее милли Кельвина.

«Несмотря на то, что у нас было преимущество этой уникальной комнаты, эта техника также может давать надежные результаты в нормальных условиях», - сказал Менгес.

Дальнейшие действия

«Мы надеемся, что эта статья вызовет волнение и облегчение для ученых, которые, как и мы, искали такой инструмент», - сказал Гоцманн. «Подобно STM, мы надеемся лицензировать эту технику для производителей инструментов, которые затем смогут вывести ее на рынок в качестве дополнительной функции к своей линейке продуктов для микроскопии».

Ученые хотели бы поблагодарить 7-ю рамочную программу за поддержку в рамках проекта NANOHEAT и Швейцарского национального научного фонда.

Кремний пластина, предназначенная для сортировки частиц, обнаруженных в жидкостях организма, с целью раннего обнаружения заболеваний.

Чем раньше диагностировано заболевание, тем больше шансов, что оно будет вылечено или успешно справится. Например, при выявлении и лечении рака груди и простаты на первой стадии пятилетняя выживаемость составляет почти 100 процентов. На четвертой стадии этот показатель снижается примерно до 26 процентов для рака груди и 28 процентов для рака простаты.

Проблема раннего выявления болезни заключается в том, что многие из нас не обращаются за лечением, пока у нас не появятся симптомы, а это означает, что болезнь уже прогрессирует. Современные технологии обнаружения, такие как маммография, часто неудобны, неудобны и не всегда точны.

• С ИИ наши слова станут окном в наше психическое здоровье.
• Гипериображение и искусственный интеллект дадут нам супергеройское видение.
• Макроскопы помогут нам во всех деталях понять сложность Земли.
• Медицинские лаборатории «на чипе» будут выполнять роль медицинских детективов для отслеживания болезней в наномасштабе.
• Интеллектуальные датчики обнаруживают загрязнение окружающей среды со скоростью света.

Я занимаюсь геномикой рака более полутора десятилетий, в течение которых я наблюдал невероятный прогресс, в основном за счет достижений в технологии геномики. Вначале моя работа была в основном сосредоточена на обработке огромных наборов данных по геномике, полученных с помощью новых в то время технологий, таких как массивы экспрессии генов и, позднее, секвенирование РНК.

Около 10 лет назад я осознал, что невероятный опыт и ресурсы в области микро- и нанотехнологий, которыми мы располагаем в IBM Research, можно использовать для совершенствования секвенирования ДНК. Около трех лет назад мы с моей командой начали думать, как использовать нанотехнологии для создания диагностических устройств, которые, как детективы, ищущие улики, могли бы проверять физиологические жидкости на наличие наноскопических биомаркеров, связанных с заболеванием, на самых ранних стадиях. Такие устройства могут значительно улучшить внешний вид пациентов, внося значительный вклад в здравоохранение в таких областях, как рак, инфекционные заболевания и нейродегенеративные расстройства.

Спустя три года мы близки к реализации этого видения с помощью устройства наномасштабного детерминированного бокового смещения, или nanoDLD, над которым мы работаем в группе IBM Nanobiotechnology. Наша цель состоит в том, чтобы в ближайшие пять лет мы смогли объединить эту и другие нанотехнологии с искусственным интеллектом, чтобы преодолеть текущие проблемы и выявлять такие заболевания, как рак, на самых ранних стадиях.

Каков наш прогноз?

Через пять лет достижения в области нанобиотехнологий позволят нам исследовать и фильтровать физиологические жидкости на предмет крошечных биочастиц, которые выявляют признаки заболевания, например рака, до того, как у нас появятся какие-либо симптомы, что позволит нам немедленно узнать, следует ли нам проконсультироваться с врачом.

Почему это изменит мир?

Лечение такого заболевания, как рак, стоит дорого. По данным Американского общества клинической онкологии, последнее одобренное лекарство от рака может стоить в среднем 10 000 долларов в месяц; некоторые виды лечения могут стоить 30 000 долларов в месяц и более. Когда ваш врач может диагностировать рак на ранних стадиях, ваши шансы банкротства - и смерти - значительно уменьшаются. Сделав обнаружение рака на ранней стадии почти таким же простым, как домашний тест на беременность, мы изменим экономику рака и значительно уменьшим его физические и эмоциональные потери для будущих поколений.

В то же время видение лекарства, которое является одновременно профилактическим и персонализированным, может быть реализовано только тогда, когда технологии позволяют людям периодически получать снимки физиологических, психологических, молекулярных и клеточных маркеров своего здоровья. Наша технология позволит беспрепятственно отслеживать молекулярное и клеточное здоровье человека.

Какая технология лежит в основе?

Некоторые компании рассматривают возможность использования биочастиц, таких как экзосомы, для ранней диагностики заболеваний, хотя IBM первой выбрала необходимый масштаб и осуществила разделение и обнаружение экзосом на чипе. Наш подход использует nanoDLD для обработки жидкого образца через кремниевый чип со специальной асимметричной решеткой, разработанной IBM. Массив является ключевым - он позволяет системе сортировать и разделять частицы в образце. Более мелкие частицы движутся зигзагообразно в направлении жидкости, в то время как более крупные частицы натыкаются на массив в направлении асимметрии столбов. Большие частицы ведут себя как водители грузовиков, вынужденные съехать с полосы движения на автостраде, тогда как мелкие частицы ведут себя как меньшие автомобили, движущиеся прямо без отклонений. Точно так же наши массивы столбов позволяют разделять и изолировать материалы разных размеров для обнаружения или анализа. Если вы знакомы с игрой Plinko from the Price is Right или японской версией Pachinko, это выглядит примерно так.

Информация, извлеченная из этих чипов, является сигналом, который может указать, присутствует ли болезнь. Это можно комбинировать с данными с устройств, поддерживающих IoT, таких как мониторы сна и смарт-часы, и обрабатывать когнитивные системы, чтобы дать нам полное представление о нашем здоровье.

Связанные статьи и патенты

Статьи
Бенджамин Х. Вунш, Джошуа Т. Смит, Стейси М. Гиффорд, Чао Ван, Маркус Бринк, Роберт Л. Брюс, Роберт Х. Остин, Густаво Столовицки и Ян Астьер, «Массивы наномасштабного бокового смещения для разделения экзосом и коллоидов до 20 нм ». Природные нанотехнологии .

Патенты
Патент США № 9012329 - «Наноразрыв между благородными металлами»

Прочтите все технологические прогнозы IBM на 2016 год на IBM 5 из 5.

Сохранить

Сохранить