Ученые разработали гибридный метод измерения температуры, который сочетает использование передовых люминесцентных материалов и глубокое машинное обучение. Исследователям удалось повысить точность температурных измерений в семь раз по сравнению с традиционными подходами, что открывает новые возможности для наномедицины, где измерения обычными термометрами невозможны. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Materials Chemistry Frontiers.
Люминесценция исследованного соединения при температуре жидкого азота (-196°С). Источник: Трофим Поликовский
Во многих сферах — от наномедицины до микроэлектроники — важно уметь точно измерять температуру микроскопических объектов. Например, термометрия может позволить отличить раковые клетки от здоровых, поскольку температура первых на 0,5–2°С выше: злокачественные образования потребляют и производят больше энергии, чем здоровые ткани. С помощью такого подхода можно было бы диагностировать рак на самых ранних стадиях, когда другие методы еще не эффективны. Однако традиционные контактные термодатчики часто неприменимы для таких целей из-за большого размера и невозможности поместить их внутрь биологической ткани или клетки.
Альтернативой служит люминесцентная термометрия — метод, в рамках которого температуру оценивают по свечению специальных материалов — люминофоров. При нагревании и охлаждении яркость и цвет люминесценции (то есть свечения) этих соединений меняются, благодаря чему можно определить их температуру с точностью до десятых долей градуса. Такое свойство люминесцентного термометра дает возможность бесконтактно работать с мелкими биологическими объектами и очень хрупкими материалами. Однако стандартные физические модели расчета температуры по спектрам излучения хорошо работают лишь для простейших люминофоров, которые зачастую не подходят для использования в реальных условиях. Следовательно, для точных измерений температуры в биологии и материаловедении нужны более совершенные методы.
Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и МФТИ с коллегами синтезировали полимерный комплекс, который при охлаждении светится зеленым цветом, а при комнатной температуре — красным. Уникальной особенностью этого комплекса является сочетание в себе ионов двух редкоземельных элементов — тербия и европия. При этом ионы тербия обеспечивают свечение в зеленом диапазоне, а европия — в красном.
Авторы исследования Трофим Поликовский и Виктория Гончаренко проводят эксперимент по измерению спектров люминесценции. Источник: Трофим Поликовский
Чтобы оценить термочувствительность полученного соединения, авторы постепенно меняли температуру от -78°С до 27°С. Оказалось, что при нагревании всего на 1°С яркость красного свечения становится на 5,5% больше, чем зеленого, следовательно, спектр испускания заметно меняется. В результате термометр позволил зафиксировать изменение температуры с точностью в 0,7°С при использовании стандартной физической модели расчета температуры.
Чтобы еще больше повысить точность, авторы применили искусственный интеллект для анализа спектров свечения. Нейросеть обучили на 2688 спектрах люминесценции, измеренных при разных температурах, благодаря чему она смогла замечать мельчайшие нелинейные изменения в форме кривых, которые совершенно не удается зафиксировать, если исследователь вручную анализирует часть спектра. Алгоритм автоматически выделил наиболее информативные признаки изменения температуры и построил более точную модель зависимости между характером кривых и температурой. В результате применение искусственного интеллекта позволило уменьшить ошибку определения температуры в семь раз по сравнению с классическими методами.
Дифракционная картина люминесценции исследуемого вещества. Видно, как оранжевое свечение самого образца раскладывается на отдельные цветовые компоненты в результате дифракции. Источник: Трофим Поликовский
Таким образом, разработанный авторами светящийся материал в сочетании с технологией искусственного интеллекта для обработки спектров позволит создавать сверхточные бесконтактные термометры для медицины и электроники. Новый инструмент даст возможность диагностировать серьезные заболевания на ранней стадии и контролировать перегрев миниатюрных компонентов микросхем в режиме реального времени.
«Наша работа демонстрирует взаимно усиливающий эффект дизайна новых материалов и передовых методов искусственного интеллекта. Использование нейронных сетей дало возможность обнаружить незначительные изменения в спектрах и извлечь из них точные данные об изменении температуры. Предложенную методологию можно применить для анализа спектров люминесценции широкого класса люминесцентных материалов, что открывает путь к созданию точных измерительных систем будущего. В дальнейшем мы планируем на основе полученных результатов создать высокоточный термометр для измерения температур в криогенной области для контроля сверхпроводящих систем, где особенно необходимы бесконтактные методы анализа», — рассказывает Трофим Поликовский, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной спектроскопии люминесцентных материалов ФИАН и аспирант Физтех-школы физики и исследований имени Ландау МФТИ.
В исследовании, кроме ученых Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, принимали участие сотрудники МФТИ, ВШЭ, МГУ им. М.В. Ломоносова и Университета Авейру (Португалия).
