In un passo importante verso lo sviluppo di scanner portatili in grado di misurare rapidamente le molecole nei prodotti farmaceutici o classificare i tessuti nella pelle dei pazienti, i ricercatori hanno creato un sistema di imaging che utilizza laser sufficientemente piccoli ed efficienti da adattarsi a un microchip.

Il sistema emette e rileva radiazioni elettromagnetiche a frequenze terahertz, superiori alle onde radio ma inferiori alla luce infrarossa a onde lunghe utilizzata per l'imaging termico. L'imaging con radiazioni terahertz è stato a lungo un obiettivo per gli ingegneri, ma la difficoltà di creare sistemi pratici che funzionino in questa gamma di frequenze ha ostacolato la maggior parte delle applicazioni e ha portato a ciò che gli ingegneri chiamano "gap di terahertz".

"Qui, abbiamo una tecnologia rivoluzionaria che non ha parti mobili e utilizza l'emissione diretta di radiazioni terahertz da chip semiconduttori, " ha detto Gerard Wysocki, professore associato di ingegneria elettrica all'Università di Princeton e uno dei leader del gruppo di ricerca.

Le radiazioni terahertz possono penetrare in sostanze come tessuti e plastica, non è ionizzante e quindi sicuro per uso medico, e può essere utilizzato per visualizzare materiali difficili da visualizzare ad altre frequenze. Il nuovo sistema, descritto in un articolo pubblicato nel numero di giugno della rivista ottica , può sondare rapidamente l'identità e la disposizione delle molecole o esporre danni strutturali ai materiali.

Il dispositivo utilizza fasci di radiazioni stabili a frequenze precise. La configurazione è chiamata pettine di frequenza perché contiene più "denti" che emettono ciascuno un diverso, frequenza di radiazione ben definita. La radiazione interagisce con le molecole nel materiale del campione. Una struttura a doppio pettine consente allo strumento di misurare in modo efficiente la radiazione riflessa. Modelli unici, o firme spettrali, nella radiazione riflessa consentono ai ricercatori di identificare la composizione molecolare del campione.

Sebbene le attuali tecnologie di imaging a terahertz siano costose da produrre e ingombranti da utilizzare, il nuovo sistema si basa su un design a semiconduttore che costa meno e può generare molte immagini al secondo. Questa velocità potrebbe renderlo utile per il controllo di qualità in tempo reale delle compresse farmaceutiche su una linea di produzione e altri usi frenetici.

"Immagina che ogni 100 microsecondi passi una compressa, e puoi controllare se ha una struttura coerente e c'è abbastanza di ogni ingrediente che ti aspetti, ", ha detto Wysocki.

Come prova del concetto, i ricercatori hanno creato una compressa con tre zone contenenti ingredienti inerti comuni nei prodotti farmaceutici:forme di glucosio, lattosio e istidina. Il sistema di imaging terahertz ha identificato ogni ingrediente e ha rivelato i confini tra di loro, così come alcuni punti in cui una sostanza chimica si è riversata in una zona diversa. Questo tipo di "hot spot" rappresenta un problema frequente nella produzione farmaceutica che si verifica quando il principio attivo non è adeguatamente miscelato in una compressa.

Il team ha anche dimostrato la risoluzione del sistema utilizzandolo per l'immagine di un trimestre degli Stati Uniti. Dettagli raffinati come le piume delle ali dell'aquila, largo fino a un quinto di millimetro, erano chiaramente visibili.

Mentre la tecnologia rende l'uso industriale e medico dell'imaging terahertz più fattibile di prima, richiede ancora il raffreddamento a bassa temperatura, un grosso ostacolo per le applicazioni pratiche. Molti ricercatori stanno ora lavorando su laser che potenzialmente funzioneranno a temperatura ambiente. Il team di Princeton ha affermato che la sua tecnica di imaging iperspettrale a doppio pettine funzionerà bene con queste nuove sorgenti laser a temperatura ambiente, che potrebbe quindi aprire molti più usi.

Poiché non è ionizzante, Le radiazioni terahertz sono sicure per i pazienti e potrebbero essere potenzialmente utilizzate come strumento diagnostico per il cancro della pelle. Inoltre, la capacità della tecnologia di visualizzare il metallo potrebbe essere applicata per testare i danni alle ali degli aeroplani dopo essere stati colpiti da un oggetto in volo.

Oltre a Wysocki, gli autori di Princeton del documento sono l'ex studente laureato in visita Lukasz Sterczewski (attualmente uno studioso post-dottorato presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA) e lo studioso di ricerca associato Jonas Westberg. Altri coautori sono Yang Yang, David Burghoff e Qing Hu del Massachusetts Institute of Technology; e John Reno dei Laboratori Nazionali Sandia. Il supporto per la ricerca è stato fornito in parte dalla Defense Advanced Research Projects Agency e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.