Американські фізики розробили метод побудови теплових карт зразків, які досліджуються за допомогою оптичного мікроскопа з мікрометровою роздільною здатністю. Для цього не потрібно ніяк змінювати оптичну схему приладу, необхідно лише нанести на поверхню предметного скла тришарову плівку нанометрової товщини. В результаті при коливаннях температури буде змінюватися частка відбитого світла, пишуть вчені в.
Сучасні методи оптичної мікроскопії дозволяють отримувати зображення з дуже високою просторовою роздільною здатністю, яка в деяких модифікаціях може навіть долати дифракційну межу. Однак практично завжди функції оптичного мікроскопа (на відміну від електронного або атомно-силового) обмежуються виключно отриманням зображення і ніякої додаткової інформації про фізичні властивості властивостей зразків визначити за допомогою нього не вдається. У тому числі практично немає надійних методів для точного вимірювання температури і побудови теплових карт досліджуваних біологічних або хімічних об'єктів, що нерідко буває одним з ключових параметрів, що впливають на їх поведінку і властивості.
Зазвичай, для таких вимірювань пропонують використовувати системи термопар, просторова роздільна здатність яких не перевищує декількох міліметрів, що дуже мало для мікроскопії. Більш точними методами могли б стати спектроскопічні підходи, засновані на використанні випромінювання в терагерцевому або інфрачервоному діапазоні, проте їх можливості сильно обмежені через те, що потрібний сигнал спотворюється на елементах оптичної системи мікроскопа і поверхнях предметного і покровного скла і взаємодіє з випромінюванням у видимій частині спектру.
Американські вчені під керівництвом Ляна Фена (Liang Feng) з Пенсільванського університету запропонували для вимірювання температури модифікувати предметне скло. Для цього вчені використовували спеціальну прозору тришарову плівку, основу якої становив шар поліметилметакрилату, затиснутий між двома прозорими шарами золота нанометрової товщини. При опроміненні цієї плівки світлом певної довжини хвилі у спектрі власних значень комплексної частини діелектричної проникності виникає набір точок сингулярності - неермітових «особливих точок» (exceptional points), - положення і властивості яких дуже чутливі до невеликих змін температури. В експерименті ці зміни можна виміряти за часткою відбитого світла, яка знижується при відхиленні від початкового резонансного стану.
В експериментальній схемі, запропонованій авторами роботи, як джерело випромінювання використовувався стандартний гелій-неоновий лазер з довжиною хвилі 633 нанометри. При цьому фізики зазначають, що виникнення особливих точок у спектрі - резонансне явище, і пошук потрібного стану здійснюється для кожної довжини хвилі за допомогою підбору товщини двох шарів золота в покритті (в даному випадку вона склала 20 нанометрів).
Перевірку методики вчені провели за допомогою масиву з дев'яти нагрівальних елементів, які були розташовані по вузлах квадратної решітки і працювали за рахунок поглинання електромагнітного випромінювання в інфрачервоному діапазоні. При поглинанні випромінювання в такій системі відбувається нагрів полімерної плівки на предметному склі, що відразу ж можна зафіксувати зі зміни спектрів відбитого світла. А варіюючи потужність лазера, що нагріває, можна було міняти температуру від кімнатної до 43 градусів. За даними вимірювань вдалося обчислити чутливість методу, яка склала близько 0,017 зворотного градуса Цельсія - це приблизно в 10 разів вище, ніж у інших відомих методів.
Просторова роздільна здатність запропонованого методу досягає декількох мікрометрів, що також значно вище, ніж при використанні альтернативних методів. Щоб показати, що подібні вимірювання можна проводити в реальному часі, вчені провели додатковий експеримент, в якому на поверхню предметного скла нанесли додатковий шар з полідіметилсілоксану, з невеликим резервуаром для води. Поміщену в резервуар воду поступово нагрівали до 43 градусів, а за спектром відображення за зміною температури вдалося простежити безпосередньо в процесі нагрівання.
Автори роботи зазначають, що основні переваги запропонованого ними методу - це його простота і дешевизна. Для проведення точних вимірювань температури потрібно тільки нанести спеціальну плівку на предметне скло, а змінювати якимось чином оптичну схему самого мікроскопа не потрібно. При цьому подібна модифікація призведе до збільшення ціни одне предметного скла всього на кілька центів. За словами вчених аналогічний підхід може бути використаний не тільки для вимірювання температури, а й, наприклад, для визначення механічних властивостей зразків.
Побудова температурних карт за допомогою електромагнітного випромінювання пропонують використовувати не тільки в оптичній мікроскопії, але і в більш складних електронних мікроскопах. Наприклад, американські фізики запропонували використовувати для вимірювання температури в наноматеріалах спектри енергетичних втрат електронів, ця методика дає можливість визначати температуру до 1300 градусів без необхідності калібрування. Схожий підхід інша група вчених використовувала для визначення температури і коефіцієнта теплопровідності почесних кристалів з просторовою роздільною здатністю до 2 нанометрів.