Measurement and control of the temperature in microscopic systems are fundamentally important in science and engineering, with increasing number of diverse applications, including photothermal therapy, inhibition of neural activity, drug delivery, and micro fluidics. Yet, measurement of three-dimensional (3D) temperature distribution in microscopic systems has not been demonstrated. Previous approaches, such as infrared radiometry, fluorescent thermometers and quantitative phase microscopy, measures only 2D distributions with complicated assumptions. Here, we propose and experimentally demonstrate the measurements of 3D temperature distribution by exploiting temperature dependency of refractive index (RI). By measuring RI distribution, 3D temperature distributions of water above a glass substrate coated with gold nanorods are quantitatively obtained with temperature range and sensitivity of $100^\circ C$ and $2.88^\circ C$, respectively. From the obtained 3D temperature distributions, various physical and thermodynamic properties including the maximum temperature, heat flux density and thermal conductivity are extracted and analyzed quantitatively.
매우 작은 규모 시스템의 온도를 측정하고 이를 통제하는 기술은 시스템의 다양한 열적 특성에 대한 정보를 제공한다는 측면에서 매우 중요하다. 특히 광열효과를 이용한 암 치료, 신경세포의 활성, 약물 표적연구, 그리고 유체의 열역학적 분석 등 다양한 응용기술의 발전과 함께 그 중요성은 더욱 강조되고 있다. 하지만 아직까지 미소 유체 시스템의 삼차원 온도분포를 측정하고 이를 정교하게 조작하는 기술은 개발되지 않은 단계이다. 온도 측정을 위해 지금까지, 적외선 분광을 이용한 방법, 형광 물질의 열적 특성을 이용한 온도 측정법, 그리고 정량 위상 현미경을 이용한 기술 등이 개발되었는데, 이러한 방법들은 온도 값을 도출하기 위해 열전도 방정식을 푸는 등 간접적인 방법을 사용하고 문제를 풀기 위해 많은 가정을 도입해야 하며 무엇보다 이차원 온도 분포만을 측정할 수 있다는 한계가 존재한다. 우리는 본 연구에서 굴절률 측정 통해 미소 유체 시스템의 삼차원 온도분포를 재구성하고 이를 정밀하게 제어 할 수 있는 새로운 광학적 접근방법을 소개한다. 유리 기판에 부착된 금 나노입자를 이용해 물을 국소적으로 가열하였으며 물의 굴절률이 온도에 따라 변한다는 사실에 기반하여 삼차원 온도 분포를 측정했다. 또한 측정된 온도분포로부터 최대 온도 등 다양한 정보를 정량적으로 추출할 수 있으며 시스템의 열유속밀도, 열전도도 등 열역학적 특성 또한 예측할 수 있음을 실험적으로 검증했다.
