Met een licht draaiend apparaat geïnspireerd op de Japanse kunst van het papier snijden, Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben microscopisch kleine kronkels ontdekt in de interne structuur van plantaardig en dierlijk weefsel zonder schadelijke röntgenstralen.

De aanpak is de eerste die terahertz-straling in realtime volledig kan roteren, en het zou nieuwe dimensies kunnen openen in medische beeldvorming, versleutelde communicatie en kosmologie. De onderzoekers zijn het meest geïnteresseerd in het gebruik van terahertz-stralen om biologische weefsels te identificeren door de wendingen in hun structuren - hun 'chiraliteit'. De chiraliteit van een weefsel beïnvloedt hoeveel het verwrongen straling absorbeert.

Terahertz-straling is de band van elektromagnetische golven die loopt van infraroodstraling naar het bereik van de "millimeterscanners" die op luchthavens door je kleding heen kijken. Het kan ongeveer een kwart inch in het lichaam reizen, maar in tegenstelling tot röntgenstralen, het is niet-ioniserend, wat betekent dat het geen potentieel schadelijke elektrische ladingen in het lichaam vrijmaakt.

"Onze lichamen hebben veel verwrongen structuren die dicht genoeg bij het oppervlak zijn om terahertz-fotonen te laten doordringen:vaten, banden, spiervezels, moleculen en zelfs enkele spiraalvormige bacteriën, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka Professor of Engineering en een corresponderende auteur van de studie in Natuurmaterialen .

Hij denkt dat het mogelijk is om medisch relevante informatie te verkrijgen over het werkgedrag van deze weefsels met behulp van terahertz-beeldvorming. Echter, zoals bij röntgenfoto's, het is moeilijk om het verschil tussen zachte weefsels te zien in terahertz-scans.

Om te onderzoeken hoe chiraliteit kan helpen bij het onderscheiden van weefsels, het team verzamelde alledaagse biologische materialen om te zoeken naar verschillen in de absorptie van met de klok mee of tegen de klok in draaiende straling in het terahertz-spectrum. Ze bestudeerden een esdoornblad, een paardenbloem, varkensvet en de vleugelkast van een iriserende kever. Terwijl het blad en het vet geen verschil vertoonden in absorptie van rechts- of linksdraaiende straling, de bloem en de vleugelkast absorbeerden bij voorkeur de een boven de ander, onthullende microscopisch kleine wendingen in hun structuren.

Deze techniek, circulair dichroïsme spectroscopie genoemd, was tot nu toe onpraktisch in het terahertz-bereik. Andere delen van het elektromagnetische spectrum, zoals zichtbaar licht, kan worden gedraaid met natuurlijke kristallen, maar de torsiekracht was beperkt voor terahertz-straling, anders kon het niet in realtime worden gedaan.

Het nieuwe apparaat is bedrieglijk eenvoudig:in wezen een plastic lint, bedrukt met een gouden visgraatpatroon en gesneden met verspringende rijen kleine sneden. De incisies zijn beïnvloed door de Japanse kunst van kirigami, die arrangementen van sneden gebruikt om 3D-structuren van papier te maken.

Als het lint is uitgerekt, de sneden gaan open en de plakjes lint draaien. De gouden lijnen leiden dan de straling, om de beurt draaien. bij straling, draaien heet "circulaire polarisatie, ", wat hetzelfde optische fenomeen is dat wordt gebruikt in liquid crystal displays (LCD's).

"We hebben allemaal wel eens een ervaring gehad met het spelen met papier knutselen toen we jong waren, maar er waren geen ontwerpregels voor een 3D chiraal optisch apparaat gebouwd met alleen vouwen en snijden. Dus, we zijn helemaal opnieuw begonnen en hebben veel modellen getest door middel van zowel simulaties als experimenten, " zei Wonjin Choi, een doctoraat student materiaalkunde en techniek en co-eerste auteur van het onderzoek.

Het team stelt voor dat hetzelfde ontwerp ook kan worden geschaald voor andere soorten straling, met grotere patronen die interageren met microgolven of radiogolven, of het patroon verkleinen om infrarood licht te manipuleren.

Omdat draaiend terahertz-licht niet breed werd bestudeerd, een van de uitdagingen van het team was uitzoeken hoe te zien of het kirigami-apparaat überhaupt werkte.

"De conventionele manieren om terahertz-straling te meten, zijn beperkt tot hoeveel energie verloren gaat als het door een monster reist, wat voor ons geval niet genoeg is, " zei Gong Cheng, een doctoraat student natuurkunde aan de U-M en co-eerste auteur.

Door lineaire polarisatoren te stapelen, ten opzichte van elkaar gedraaid, in het pad van de straal, ze konden metingen doen om de circulaire polarisatie te onthullen.

Naast het in beeld brengen van levende weefsels, terahertz circulair dichroïsme spectroscopie zou ook kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen op basis van grote biologische moleculen zoals eiwitten en antilichamen.

Choi verwacht dat een vroege toepassing zou kunnen zijn om communicatie op het terahertz-spectrum te versleutelen en ontsleutelen. En als deze kirigami-apparaten op satellieten werden gevlogen om de draaiing in het terahertz-spectrum van de achtergrondstraling van het universum te meten, het zou ons meer kunnen vertellen over de vroegste sterren.