Để hiệu chỉnh mức độ chính xác của phép đo nhiệt độ, tác giả nghiên cứu thời gian hồi phục quay Brown của đơn hạt GNC theo nhiệt độ bên ngoài. Theo đó, thí nghiệm được thiết kế bổ sung thêm một Peltier tích hợp tại mẫu như hình 3.10. Nhiệt độ được điều khiển từ 23oC đến 41oC và phân tích các số liệu hàm G(τ) tương ứng để suy ra 𝜏𝐵.
Xét một GNC (lõi là hạt nano từ) có bán kính 96 nm (đo được bằng phương pháp theo dõi đơn hạt) chuyển động quay trong không gian 3 chiều, dưới kính hiển vi quang học trường tối các hạt GNC sẽ tán xạ ánh sáng và thể hiển các tín hiệu nhấp nháy trên camera. Các tín hiệu nhấp nháy này là do sự tán xạ quay bất đẳng hướng về mặt quang
học. Để xác định được 𝜏𝐵, thực nghiệm đo đạc các video gồm tập hợp 5000 ảnh và thời gian lấy mỗi ảnh là 0,005 s. Từ dữ liệu video này dễ dàng tính toán được hàm tự tương quan tán xạ quay G(τ) =< 𝐼(𝑡). 𝐼(𝑡 + 𝜏) >. Hình 3.11 thể hiện cường độ tín hiệu I(t)
theo thời gian của một GNC.
Hình 3.10. Thiết kế minh họa thí nghiệm đốt nóng hạt GNC bằng nguồn nhiệt bên ngoài (Peltier).
Trên hình 3.11a thể hiện vết tín hiệu của một hạt GNC nhấp nháy theo thời gian. Từ đó có thể trích xuất ra tín hiệu dưới dạng cường độ như trong hình 3.11b. Rất dễ dàng quan sát thấy cường độ của các đỉnh rất khác nhau tương ứng với các chế độ “bật, tắt” trong khoảng thời gian rất ngắn. Hình ảnh này cũng được quan sát rõ hơn trong hình 3.11c, d. Hai ảnh này được chụp dưới kích hiển vi trường tối cách nhau 0,145 s. Sau 0,145 s cường độ tán xạ của GNC giảm đi đáng kể (đường tròn đỏ khoanh trong hình 3.11b,c). Thêm một lần nữa cho thấy cường độ tán xạ thay đổi mạnh theo thời gian. Điều này có thể được giải thích là do sự bất đẳng hướng về hình dạng hạt GNC đã dẫn đến sự bất đẳng hướng về quang học. Khi GNC được nhúng vào trong dung dịch chúng sẽ chuyển động quay Brown, do đó phần kim loại vàng phủ một bán nguyệt trên các lõi từ sẽ tán xạ có cường độ mạnh hơn phần còn lại. Vì vậy tín hiệu mà camera thu được sẽ có cường độ khác nhau. Một số công bố trước cũng đã chỉ ra rằng cường độ tín hiệu tán xạ đặc biệt mạnh tại phần kim loại và rất yếu ở phía đối diện (phần hạt nano từ) của GNC [35,40]. Quan sát từ biểu thức (1) hệ số 𝑐𝑙 không bằng không, nói một cách khác nếu 𝐼(Ω) tỷ lệ với hàm cầu 𝑌𝑙0. Trong trường hợp đặc biệt, nếu 𝐼(θ) ∝ cos 𝜃 (nghĩa là nếu 𝑐𝑙 = 0 cho tất cả 𝑙 ≠ 1) thì
Hình 3.11. Hiện ảnh tán xạ plasmon của GNC. (a)- Ảnh cartography của một hạt GNC tán xạ theo thời gian. (b)- Cường độ tán xạ plasmon tương ứng. (c) và (d) là
ảnh trường tối của các GNC trước và sau 0,145s.
Theo một cách, nếu tán xạ là dạng lưỡng cực, 𝐼(Ω) ∝ cos2𝜃 (nghĩa là nếu
𝑐𝑙 = 0 cho tất cả 𝑙 ≠ 2) thì 𝐺(𝜏) = 𝐺𝑙=2(𝜏) = 𝑒−3𝜏⁄𝜏𝐵. Từ các tín hiệu ở hình 3.11a và b, cường độ I(t) được khuếch tán bởi một GNC đơn lẻ sẽ được trích xuất và tính sự tự tương quan phổ theo G(τ) =< 𝐼(𝑡). 𝐼(𝑡 + 𝜏) >. Tiếp theo đó là làm khớp với hàm tính toán lý thuyết trong (3.1). Hình 3.12 so sánh mô hình (3.1) (đường màu đỏ) với hàm tự tương quan thực nghiệm (đường màu đen) và đường nét đứt màu xanh thể hiện hàm tự tương quan đơn 𝐺(𝜏) = 𝐺𝑙=1(𝜏) = 𝑒−𝜏⁄𝜏𝐵. Chúng ta thấy rằng đường màu đỏ là hàm tương quan theo (3.1) khớp chính xác với giá trị thực nghiệm trong khi hàm tương quan đơn suy giảm quá dốc và có sự sai khác khoảng 35%. Do đó, nếu áp dụng hàm này sẽ không đủ chính xác để suy ra 𝜏𝑟 nhiệt độ. Vì vậy, chúng tôi sử dụng hàm tự tương quan RSCS cho thí nghiệm tiếp theo. Kết quả nghiên cứu nhiệt độ ngoài thay đổi do điều khiển bởi Peltier (từ 23oC; 25oC ; 29,5oC; 35,5oC; 41oC) của một hạt GNC duy nhất có kích thước 96 nm được thể hiện trên hình 3.13. Trên hình 3.13a cho thấy các đường RSCS khớp rất tốt với các giá trị thực nghiệm. Kết quả này thể hiện rất rõ trên hình 3.13b của sự phụ thuộc 𝜏𝐵 vào nhiệt độ. Kết quả chứng tỏ rất phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Quan sát rõ thấy 𝜏𝐵 giảm khi
luôn luôn là một hạt trong trường quan sát của camera vì khi đó chuyển động tịnh tiến của nó tăng lên. Đó là sự phụ thuộc mạnh của nhiệt độ và hệ số nhớt của glycerol. Các dự đoán lý thuyết là phù hợp định lượng tốt với kết quả thí nghiệm đo được. Điều này chứng tỏ sự liên quan của kỹ thuật RSCS đã thực hiện với GNC có thể đo chính xác nhiệt độ cục bộ. Từ đó với mỗi hạt nano GNC có thể được sử dụng như một nhiệt kế nano, chúng cho phép đo có độ chính xác cao.
Hình 3.12. Hàm tự tương quan thu được từ thực nghiệm (đường màu đen), hàm RSCS𝐺(𝜏) làm khớp theo (3.1) (đường màu đỏ) và hàm đơn 𝐺(𝜏) = 𝑒−𝜏⁄𝜏𝐵 (đường
nét đứt màu xanh) được thêm vào để so sánh.
Hình 3.13. Điều khiển nhiệt độ bên ngoài bằng Peltier. (a) Các hàm tự tương quan cho một hạt nano đơn lẻ trong glycerol ở các nhiệt độ khác nhau. Mỗiđường thực nghiệm được làm khớp với hàm RSCS suy ra τB. (b) Thời gian τB tính được từ thực nghiệm thay đổi theo nhiệt độ tương ứng (ô vuông màu đen) và đường làm khớp