Con un dispositivo di filatura leggero ispirato all'arte giapponese del taglio della carta, I ricercatori dell'Università del Michigan hanno rilevato torsioni microscopiche nella struttura interna dei tessuti vegetali e animali senza raggi X dannosi.

L'approccio è il primo in grado di ruotare completamente la radiazione terahertz in tempo reale, e potrebbe aprire nuove dimensioni nell'imaging medico, comunicazioni criptate e cosmologia. I ricercatori sono più interessati all'uso dei raggi terahertz per identificare i tessuti biologici attraverso le torsioni nelle loro strutture:la loro "chiralità". La chiralità di un tessuto influenza quanto assorbe la radiazione contorta.

La radiazione terahertz è la banda di onde elettromagnetiche che va dalla radiazione infrarossa fino alla gamma degli "scanner millimetrici" che scrutano attraverso i vestiti negli aeroporti. Può viaggiare per circa un quarto di pollice nel corpo, ma a differenza dei raggi X, non è ionizzante, il che significa che non libera cariche elettriche potenzialmente dannose nel corpo.

"I nostri corpi hanno molte strutture contorte che sono abbastanza vicine alla superficie da consentire la penetrazione di fotoni terahertz:vasi, legamenti, fibre muscolari, molecole e anche alcuni batteri elicoidali, " ha detto Nicholas Kotov, il Professore di Ingegneria Joseph B. e Florence V. Cejka e un corrispondente autore dello studio in Materiali della natura .

Ritiene che potrebbe essere possibile ottenere informazioni rilevanti dal punto di vista medico sui comportamenti lavorativi di questi tessuti utilizzando l'imaging a terahertz. Però, come con i raggi X, è difficile dire la differenza tra i tessuti molli nelle scansioni terahertz.

Con l'obiettivo di esplorare come la chiralità può aiutare a distinguere i tessuti, il team ha raccolto materiali biologici quotidiani per cercare differenze nell'assorbimento della radiazione che ruota in senso orario o antiorario nello spettro terahertz. Hanno studiato una foglia d'acero, un fiore di tarassaco, grasso di maiale e l'ala di un coleottero iridescente. Mentre la foglia e il grasso non mostravano differenze nell'assorbimento della radiazione in senso orario o antiorario, la cassa del fiore e dell'ala si assorbiva preferenzialmente l'una sull'altra, rivelando torsioni microscopiche nelle loro strutture.

Questa tecnica, chiamata spettroscopia di dicroismo circolare, era poco pratico nella gamma dei terahertz fino ad ora. Altre parti dello spettro elettromagnetico, come la luce visibile, può essere attorcigliato con cristalli naturali, ma il potere di torsione era limitato per le radiazioni terahertz, altrimenti non poteva essere fatto in tempo reale.

Il nuovo dispositivo è apparentemente semplice, essenzialmente un nastro di plastica, stampato con motivo a spina di pesce dorato e tranciato con file sfalsate di piccoli tagli. Le incisioni sono influenzate dall'arte giapponese del kirigami, che utilizza disposizioni di tagli per creare strutture 3D dalla carta.

Quando il nastro è teso, i tagli si aprono e le fette di nastro si attorcigliano. Le linee d'oro poi guidano la radiazione, girandolo a sua volta. Nelle radiazioni, la torsione è chiamata "polarizzazione circolare, " che è lo stesso fenomeno ottico utilizzato nei display a cristalli liquidi (LCD).

"Tutti noi potremmo avere un'esperienza di gioco con la creazione di carta quando eravamo giovani, ma non c'erano regole di progettazione per dispositivi ottici chirali 3-D costruiti usando solo piegatura e taglio. Così, siamo partiti da zero e testato molti modelli sia attraverso simulazioni che esperimenti, " disse Wonjin Choi, un dottorato di ricerca studente in scienze e ingegneria dei materiali e co-primo autore dello studio.

Il team propone che lo stesso design possa essere ridimensionato anche per altri tipi di radiazioni, con modelli più grandi che interagiscono con microonde o onde radio, o restringendo il modello per manipolare la luce infrarossa.

Poiché la rotazione della luce terahertz non è stata ampiamente studiata, una delle sfide del team è stata capire come vedere se il dispositivo kirigami funzionava.

"I modi convenzionali di misurare la radiazione terahertz sono limitati a quanta energia viene persa mentre viaggia attraverso un campione, che non è abbastanza per il nostro caso, " disse Gong Cheng, un dottorato di ricerca studente di fisica alla U-M e co-primo autore.

Impilando polarizzatori lineari, ruotati l'uno rispetto all'altro, nel percorso del raggio, potrebbero fare misurazioni per rivelare la polarizzazione circolare.

Oltre all'imaging dei tessuti viventi, La spettroscopia di dicroismo circolare terahertz potrebbe anche aiutare lo sviluppo di nuovi farmaci basati su grandi molecole biologiche come proteine ​​e anticorpi.

Choi prevede che una delle prime applicazioni potrebbe essere quella di crittografare e decrittografare le comunicazioni sullo spettro terahertz. E se questi dispositivi kirigami fossero volati su satelliti per misurare la torsione nello spettro terahertz della radiazione di fondo dell'universo, potrebbe dirci di più sulle prime stelle.