Ученые создали прорывную гибридную технологию измерения температуры, объединив инновационный люминесцентный материал с мощью глубокого машинного обучения. Этот метод позволил в семь раз увеличить точность измерений по сравнению с традиционными подходами, открывая новые горизонты для наномедицины и других областей.
Высокоточная термометрия — ключ к наноразмерному миру
Точное измерение температуры микроскопических объектов критически важно во множестве областей науки и техники — от наномедицины до микроэлектроники. Яркий пример: возможность отличить раковые клетки от здоровых по их температуре, которая обычно на 0,5–2°С выше, так как злокачественные опухоли требуют и вырабатывают больше энергии. Диагностика на самых ранних стадиях с помощью термометрии обещает быть высокоэффективной там, где другие методы пока бессильны. Однако внедрить привычные контактные термодатчики в биологические ткани или отдельные клетки невозможно из-за их крупных габаритов.
Люминесценция: свет в качестве термометра
Прекрасной альтернативой служит люминесцентная термометрия. В ее основе лежит способность специальных материалов — люминофоров — менять цвет или яркость своего свечения в ответ на колебания температуры. Это позволяет определять температурный градиент с точностью до десятых долей градуса бесконтактно, что идеально подходит для работы с мельчайшими живыми объектами или деликатными материалами. К сожалению, стандартные физические модели расшифровки спектров эффективны лишь для простейших люминофоров, непригодных для практических задач. Следовательно, прорыв в биологии и материаловедении требует новых, более совершенных методов.
Умный материал и интеллектуальный анализ: синергия прорыва
Ответом на этот вызов стал уникальный полимерный комплекс, синтезированный исследователями из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН, Москва). Этот люминесцентный материал демонстрирует удивительную термохромность: при охлаждении он светится зеленым, а при комнатной температуре — красным. Секрет кроется в сочетании ионов двух редкоземельных элементов — тербия, дающего зеленую люминесценцию, и европия, ответственного за красное свечение.
Для обработки сложных спектров этого материала и экстракции температуры с беспрецедентной точностью ученые разработали и применили специальную глубокую нейронную сеть. Это симбиоз передовой нанофотоники с искусственным интеллектом обеспечил семикратное повышение точности температурных измерений, прокладывая путь для тепловидения в наномире и обнадеживающих перспектив ранней онкодиагностики. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда под руководством Трофима Поликовского.
Прорыв в термометрии: Люминесценция и ИИ
Для оценки термочувствительности нового соединения ученые плавно изменяли температуру от -78°С до +27°С. Удивительно, но нагрев всего на 1°С приводил к росту яркости красного свечения на 5,5% по сравнению с зеленым, что отчетливо меняло спектр излучения. Благодаря этому термометр на основе стандартной физической модели достиг впечатляющей точности фиксации изменений температуры — до 0,7°С.
ИИ как ключ к сверхточности
Стремясь к еще большей точности, авторы привлекли искусственный интеллект для анализа спектров свечения. Обученная на 2688 спектрах люминесценции при разных температурах, нейросеть научилась распознавать мельчайшие нелинейные изменения в форме кривых, совершенно незаметные при ручном анализе фрагментов спектра. Алгоритм автоматически выявлял наиболее информативные признаки температурных сдвигов и создал гораздо более точную модель связи между характеристиками кривых и температурой. В итоге применение ИИ снизило погрешность определения температуры в семь раз по сравнению с традиционными подходами!
Перспективы революционных термометров
Таким образом, уникальный светящийся материал в сочетании с ИИ-обработкой спектров открывает путь к созданию сверхточных бесконтактных термометров для медицины и электроники. Этот новый инструмент обещает возможность ранней диагностики серьезных заболеваний и непрерывного контроля перегрева миниатюрных компонентов микросхем в режиме реального времени.
«Наше исследование ярко демонстрирует синергию дизайна новых материалов и передовых методов искусственного интеллекта. Нейронные сети позволили выявить тончайшие изменения в спектрах и извлечь из них точные температурные данные. Предложенная методология применима для анализа люминесценции целого класса материалов, прокладывая дорогу к измерительным системам будущего. Следующим шагом станет разработка высокоточного термометра для криогенных температур, столь востребованного в контроле сверхпроводящих систем, где бесконтактный анализ особенно важен», — делится энтузиазмом участник проекта Трофим Поликовский, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной спектроскопии люминесцентных материалов ФИАН им. П.Н. Лебедева РАН и аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ, работа поддержана грантом РНФ.
Инновационный проект объединил блестящих учёных из ведущих мировых центров знаний! К исследованию присоединились специалисты Московского физико-технического института, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Московского государственного университета и Университета Авейру из Португалии.
Их синергия открывает потрясающие перспективы: совместная работа представителей российской и европейской науки знаменует новый этап международного сотрудничества на пути к технологическим прорывам!
Источник: indicator.ru
