Kirigami kan dreje terahertz -stråler i realtid for at kigge ind i biologisk væv

Med en letspinningsanordning inspireret af den japanske kunst at skære papir, University of Michigan forskere har fundet mikroskopiske vendinger i den indre struktur af plante- og dyrevæv uden skadelige røntgenstråler.

Fremgangsmåden er den første, der fuldt ud kan rotere terahertz -stråling i realtid, og det kunne åbne nye dimensioner inden for medicinsk billedbehandling, krypteret kommunikation og kosmologi. Forskerne er mest interesserede i at bruge terahertz -stråler til at identificere biologiske væv gennem vendingerne i deres strukturer - deres "kiralitet". Et vævs chiralitet påvirker, hvor meget det absorberer snoet stråling.

Terahertz-stråling er båndet af elektromagnetiske bølger, der løber fra infrarød stråling ned til rækken af ​​"millimeterscannere", der kigger gennem dit tøj i lufthavne. Den kan bevæge sig omkring en kvart tomme ind i kroppen, men i modsætning til røntgenstråler, det er ikke-ioniserende - hvilket betyder, at det ikke frigør potentielt skadelige elektriske ladninger i kroppen.

"Vores kroppe har mange snoede strukturer, der er tæt nok på overfladen til, at terahertz -fotoner kan trænge igennem:fartøjer, ledbånd, muskelfibre, molekyler og endda nogle spiralformede bakterier, sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i teknik og en tilsvarende forfatter om undersøgelsen i Naturmaterialer .

Han mener, at det kan være muligt at få medicinsk relevant information om disse vævs arbejdsadfærd ved hjælp af terahertz -billeddannelse. Imidlertid, som med røntgenstråler, det er svært at se forskel på blødt væv i terahertz-scanninger.

Med henblik på at undersøge, hvordan kiralitet kan hjælpe med at skelne væv, holdet indsamlede dagligdags biologiske materialer for at se efter forskelle i absorptionen af ​​med uret eller mod uret roterende stråling i terahertz-spektret. De studerede et ahornblad, en mælkebøtte blomst, svinefedt og vingekassen af ​​en iriserende bille. Mens bladet og fedtet ikke viste nogen forskel i absorption af stråling med uret eller mod uret, blomster- og vingekassen absorberede fortrinsvis den ene over den anden, afslører mikroskopiske vendinger i deres strukturer.

Denne teknik, kaldet cirkulær dikroismespektroskopi, var upraktisk i terahertz-området indtil nu. Andre dele af det elektromagnetiske spektrum, såsom synligt lys, kan snoes med naturlige krystaller, men vridningsevnen var begrænset til terahertz -stråling, ellers kunne det ikke gøres i realtid.

Den nye enhed er en vildledende enkel - i det væsentlige et plastikbånd, trykt med et guld sildebensmønster og skåret med forskudte rækker af bittesmå udskæringer. Indsnittene er påvirket af den japanske kirigami -kunst, som bruger arrangementer af snit til at skabe 3D-strukturer fra papir.

Når båndet er strakt, snittene åbner sig, og skiverne af bånd snor sig. Guldlinjerne styrer så strålingen, vride den efter tur. Ved stråling, vridning kaldes "cirkulær polarisering, " som er det samme optiske fænomen, som bruges i flydende krystalskærme (LCD'er).

"Vi kunne alle have en oplevelse af at lege med papirhåndværk, da vi var unge, men der var ingen designregler for en 3D-kirale optiske enheder, der kun blev bygget ved at folde og skære. Så, vi startede fra bunden og testede mange modeller gennem både simuleringer og eksperimenter, "sagde Wonjin Choi, en ph.d. studerende i materialevidenskab og teknik og co-førsteforfatter på undersøgelsen.

Holdet foreslår, at det samme design også kan skaleres til andre typer stråling, med større mønstre, der interagerer med mikrobølger eller radiobølger, eller formindskelse af mønsteret for at manipulere infrarødt lys.

Fordi spin -terahertz -lys ikke blev bredt undersøgt, en af ​​teamets udfordringer var at finde ud af, hvordan man overhovedet kunne se, om kirigami -enheden virkede.

"De konventionelle måder at måle terahertz-stråling på er begrænset til, hvor meget energi der går tabt, når den bevæger sig gennem en prøve, hvilket ikke er nok til vores sag, "sagde Gong Cheng, en ph.d. studerende i fysik ved U-M og medforfatter.

Ved at stable lineære polarisatorer, roteret i forhold til hinanden, på bjælkens vej, de kunne foretage målinger for at afsløre den cirkulære polarisering.

Ud over billeddannelse af levende væv, terahertz cirkulær dikroismespektroskopi kunne også hjælpe med udviklingen af ​​nye lægemidler baseret på store biologiske molekyler såsom proteiner og antistoffer.

Choi forudser, at en tidlig applikation kunne være at kryptere og dekryptere kommunikation på terahertz-spektret. Og hvis disse kirigami -enheder blev fløjet på satellitter for at måle vridningen i terahertz -spektret af universets baggrundsstråling, det kunne fortælle os mere om de tidligste stjerner.