Com um dispositivo giratório inspirado na arte japonesa de recorte de papel, Pesquisadores da Universidade de Michigan detectaram torções microscópicas na estrutura interna de tecidos vegetais e animais sem raios-X prejudiciais.

A abordagem é a primeira que pode girar totalmente a radiação terahertz em tempo real, e pode abrir novas dimensões em imagens médicas, comunicações criptografadas e cosmologia. Os pesquisadores estão mais interessados ​​em usar raios terahertz para identificar tecidos biológicos por meio das torções em suas estruturas - sua "quiralidade". A quiralidade de um tecido afeta o quanto ele absorve radiação torcida.

A radiação Terahertz é a faixa de ondas eletromagnéticas que vai da radiação infravermelha até o alcance dos "scanners milimétricos" que perscrutam suas roupas nos aeroportos. Ele pode viajar cerca de um quarto de polegada para dentro do corpo, mas ao contrário de raios-X, é não ionizante - o que significa que não libera cargas elétricas potencialmente prejudiciais no corpo.

"Nossos corpos têm muitas estruturas retorcidas que estão perto o suficiente da superfície para que os fótons terahertz penetrem:vasos, ligamentos, fibras musculares, moléculas e até mesmo algumas bactérias helicoidais, "disse Nicholas Kotov, o Joseph B. e Florence V. Cejka Professor de Engenharia e um autor correspondente no estudo em Materiais da Natureza .

Ele acredita que pode ser possível obter informações clinicamente relevantes sobre o comportamento de trabalho desses tecidos usando imagens de terahertz. Contudo, como acontece com os raios X, é difícil dizer a diferença entre os tecidos moles em varreduras de terahertz.

Com o objetivo de explorar como a quiralidade pode ajudar a distinguir os tecidos, a equipe reuniu materiais biológicos do dia-a-dia para procurar diferenças na absorção de radiação em rotação no sentido horário ou anti-horário no espectro terahertz. Eles estudaram uma folha de bordo, uma flor dente de leão, gordura de porco e a asa de um besouro iridescente. Enquanto a folha e a gordura não mostraram nenhuma diferença na absorção da radiação no sentido horário ou anti-horário, a caixa da flor e da asa absorveu preferencialmente uma sobre a outra, revelando torções microscópicas em suas estruturas.

Esta técnica, chamada espectroscopia de dicroísmo circular, era impraticável na faixa de terahertz até agora. Outras partes do espectro eletromagnético, como luz visível, pode ser torcida com cristais naturais, mas o poder de torção foi limitado para radiação terahertz ou então não poderia ser feito em tempo real.

O novo dispositivo é aparentemente simples - essencialmente uma fita de plástico, impresso com um padrão de espinha de peixe dourado e fatiado com fileiras escalonadas de pequenos cortes. As incisões são influenciadas pela arte japonesa do kirigami, que usa arranjos de cortes para criar estruturas 3-D de papel.

Quando a fita é esticada, os cortes se abrem e as fatias de fita se retorcem. As linhas douradas então guiam a radiação, torcendo-o por sua vez. Na radiação, torção é chamada de "polarização circular, ", que é o mesmo fenômeno óptico usado em telas de cristal líquido (LCDs).

"Todos nós podemos ter a experiência de brincar com a fabricação de papel quando éramos jovens, mas não havia regras de design para dispositivos ópticos quirais 3-D construídos usando apenas dobradura e corte. Então, começamos do zero e testamos muitos modelos por meio de simulações e experimentos, "disse Wonjin Choi, um Ph.D. estudante de ciência e engenharia de materiais e co-autor do estudo.

A equipe propõe que o mesmo design pode ser dimensionado para outros tipos de radiação também, com padrões maiores interagindo com microondas ou ondas de rádio, ou diminuindo o padrão para manipular a luz infravermelha.

Como a luz giratória de terahertz não foi amplamente estudada, um dos desafios da equipe era descobrir como ver se o dispositivo kirigami funcionava.

"As formas convencionais de medir a radiação terahertz são limitadas a quanta energia é perdida enquanto viaja através de uma amostra, o que não é suficiente para o nosso caso, "disse Gong Cheng, um Ph.D. estudante de física na U-M e co-primeira autora.

Empilhando polarizadores lineares, girado em relação um ao outro, no caminho do feixe, eles podiam fazer medições para revelar a polarização circular.

Além de imagens de tecidos vivos, A espectroscopia de dicroísmo circular de terahertz também pode ajudar no desenvolvimento de novos medicamentos baseados em grandes moléculas biológicas, como proteínas e anticorpos.

Choi prevê que uma aplicação inicial poderia ser criptografar e descriptografar comunicações no espectro terahertz. E se esses dispositivos kirigami voassem em satélites para medir a torção no espectro terahertz da radiação de fundo do universo, poderia nos dizer mais sobre as primeiras estrelas.