Med en lättsnurrande anordning inspirerad av den japanska konsten att skära papper, Forskare vid University of Michigan har upptäckt mikroskopiska vändningar i växt- och djurvävnadens inre struktur utan skadliga röntgenstrålar.

Tillvägagångssättet är det första som helt kan rotera terahertzstrålning i realtid, och det kan öppna nya dimensioner inom medicinsk bildbehandling, krypterad kommunikation och kosmologi. Forskarna är mest intresserade av att använda terahertzstrålar för att identifiera biologiska vävnader genom vridningarna i deras strukturer - deras "kiralitet". En vävnads kiralitet påverkar hur mycket den absorberar vriden strålning.

Terahertz-strålning är bandet av elektromagnetiska vågor som går från infraröd strålning ner till intervallet för "millimeterskannrar" som tittar igenom dina kläder på flygplatser. Den kan färdas ungefär en kvarts tum in i kroppen, men till skillnad från röntgenstrålar, det är icke-joniserande – vilket betyder att det inte frigör potentiellt skadliga elektriska laddningar i kroppen.

"Våra kroppar har många vridna strukturer som är tillräckligt nära ytan för att terahertzfotoner ska kunna penetrera:kärl, ligament, muskelfibrer, molekyler och till och med vissa spiralformade bakterier, sade Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i teknik och en motsvarande författare om studien i Naturmaterial .

Han tror att det kan vara möjligt att få medicinskt relevant information om arbetsbeteendena hos dessa vävnader med hjälp av terahertz-avbildning. Dock, som med röntgenstrålar, det är svårt att se skillnad på mjukvävnader vid terahertz-skanningar.

Med ett öga för att utforska hur kiralitet kan hjälpa till att skilja vävnader, teamet samlade vardagligt biologiskt material för att leta efter skillnader i absorptionen av medurs- eller moturs-roterande strålning i terahertz-spektrumet. De studerade ett lönnlöv, en maskrosblomma, fläskfett och vingfodralet av en iriserande skalbagge. Medan bladet och fettet inte visade någon skillnad i absorption av strålning medurs eller moturs, blomman och vingfodralet absorberade företrädesvis det ena framför det andra, avslöjar mikroskopiska vändningar i deras strukturer.

Denna teknik, kallas cirkulär dikroismspektroskopi, var opraktisk i terahertz-området tills nu. Andra delar av det elektromagnetiska spektrumet, som synligt ljus, kan vridas med naturliga kristaller, men vridkraften var begränsad för terahertzstrålning, annars kunde den inte göras i realtid.

Den nya enheten är en bedrägligt enkel - i huvudsak ett plastband, tryckt med ett guldfiskbensmönster och skivad med förskjutna rader av små snitt. Snittarna är influerade av den japanska konsten kirigami, som använder arrangemang av snitt för att skapa 3D-strukturer från papper.

När bandet sträcks, snitten öppnas och bandskivorna vrider sig. Guldlinjerna styr sedan strålningen, vrider den i tur och ordning. Vid strålning, vridning kallas "cirkulär polarisation, "vilket är samma optiska fenomen som används i LCD -skärmar.

"Vi kanske alla hade en erfarenhet av att leka med papperspyssel när vi var unga, men det fanns inga designregler för en 3D-kirala optiska enheter byggda med endast vikning och skärning. Så, vi började från början och testade många modeller genom både simuleringar och experiment, " sa Wonjin Choi, en doktorsexamen student i materialvetenskap och teknik och medförstaförfattare på studien.

Teamet föreslår att samma design kan skalas för andra typer av strålning också, med större mönster som interagerar med mikrovågor eller radiovågor, eller krympa ner mönstret för att manipulera infrarött ljus.

Eftersom snurrande terahertz-ljus inte studerades allmänt, en av teamets utmaningar var att ta reda på hur man skulle se om kirigami-enheten överhuvudtaget fungerade.

"De konventionella sätten att mäta terahertzstrålning är begränsade till hur mycket energi som går förlorad när den färdas genom ett prov, vilket inte räcker för vårt fall, " sa Gong Cheng, en doktorsexamen student i fysik vid U-M och medförstaförfattare.

Genom att stapla linjära polarisatorer, roterade i förhållande till varandra, i strålens väg, de kunde göra mätningar för att avslöja den cirkulära polarisationen.

Förutom att avbilda levande vävnader, terahertz cirkulär dikroismspektroskopi kan också hjälpa utvecklingen av nya läkemedel baserade på stora biologiska molekyler som proteiner och antikroppar.

Choi förutser att en tidig applikation kan vara att kryptera och dekryptera kommunikation på terahertz-spektrumet. Och om dessa kirigami-enheter flögs på satelliter för att mäta vridningen i terahertzspektrumet av universums bakgrundsstrålning, det kan berätta mer om de tidigaste stjärnorna.