211service.com
At tæmme Terahertz
Ligesom røntgenteknologien kom frem i 1890'erne - og gjorde det muligt for læger at kigge ind under kødet for at se knogler og organer - dukker der nu en anden lovende billedteknologi op fra en underudnyttet del af det elektromagnetiske spektrum: terahertz-frekvenserne. Disse såkaldte t-stråler kan ligesom røntgenstråler se igennem de fleste materialer. Men t-stråler menes at være mindre skadelige end røntgenstråler. Og forskellige forbindelser reagerer forskelligt på terahertz-stråling, hvilket betyder, at et terahertz-baseret billeddannelsessystem kan skelne et skjult objekts kemiske sammensætning. Takket være denne kraft bliver terahertz-billeddannelse varmere og varmere, siger Xi-Cheng Zhang, en terahertz-pioner ved Rensselaer Polytechnic Institute. Potentielle anvendelser spænder fra at opdage tumorer til at finde plastiksprængstoffer. Og da t-stråler trænger ind i papir og tøj, kunne et terahertz-kamera opdage skjulte våben.
Terahertz-frekvenser er svære at producere og detektere. De er højere end mikrobølger, men lavere end infrarødt lys. Du er aldrig sikker på, om du skal bruge elektronikbaseret eller optikbaseret teknologi, siger Martyn Chamberlain fra University of Leeds i England, en førende terahertz-forsker. De terahertz-kilder, der nu er på markedet, har en tendens til at udsende mange frekvenser på én gang, hvilket begrænser deres anvendelighed. I det seneste år har adskillige forskningsprojekter imidlertid gjort betydelige fremskridt med at udvikle enheder, der producerer t-stråler inden for et snævert frekvensbånd - et krav til præcis kemisk sansning og medicinsk billeddannelse.
Denne historie var en del af vores juni 2003-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
Et sådant system, lavet af Brattleboro, VT-baserede Vermont Photonics, fungerer ved at sende en elektronstråle hen over den mikroskopisk krusede overflade af en leder, såsom aluminium; strålen får elektroner i lederen til at bevæge sig op og ned i bølgerne, en bevægelse der ryster løse t-stråler. Ændring af elektronstrålens energi ændrer også den genererede terahertz-frekvens, siger Vermont Photonics medstifter Michael Mross. Virksomheden målretter sit instrument primært mod at observere interaktioner, der involverer biomolekyler til applikationer som lægemiddelopdagelse. En anden tilgang er noget, der kaldes kvantekaskadelaseren, en pæn smule halvlederteknik, der bruges til at producere infrarødt lys. At flytte teknologien ind i terahertz-serien kræver udsøgt præcis kontrol over materialerne. Sidste år demonstrerede Qin Hu, en MIT elektrisk ingeniør, en kvantekaskadelaser, der producerer en kontinuerlig terahertz-stråle ved en veldefineret frekvens.
Et hulrum viser sig tydeligt som et lyserødt område i en tands terahertz-billede (højre).(Billede udlånt af Teraview)
Den mest kortsigtede anvendelse af terahertz-teknologi er inden for medicinsk billeddannelse. I en ambitiøs indsats har TeraView, en Cambridge, England-baseret startup, brugt terahertz-billeddannelse til at opdage hudkræft, der unddrager sig andre billeddannelsesteknologier - især tumorer, der dannes usynligt under hudens overflade. T-stråler kunne også identificere ukendte biologiske materialer, da biomolekyler naturligt vibrerer ved terahertz-frekvenser, og hver har et særskilt terahertz-fingeraftryk. Med andre ord absorberer specifikke proteiner visse karakteristiske t-strålefrekvenser, som ændrer deres molekylære arrangement eller konformation; sensorer kan derefter overvåge denne absorption for at indikere identiteten af proteinet. Livet er en terahertz-proces, siger Chamberlain. En potentiel anvendelse er automatiseret identifikation af biologiske krigsførelsesmidler, såsom miltbrand. En anden er en t-ray kemisk sensor, som ville udnytte det faktum, at andre store molekyler, såsom polymerer, også reagerer på terahertz-bølger på karakteristiske måder. Et terahertz-kamera bygget af QinetiQ fra Farnborough, England, tager uhyggeligt invasive billeder af mennesker gennem deres tøj.
Men interaktionen mellem t-stråler og proteiner rejser spørgsmålet om, hvor sikker menneskelig eksponering er. Den Europæiske Union sponsorerer et program, kaldet Terahertz Bridge, for at studere netop dette. De foreløbige resultater har været opmuntrende; forskere har ikke set noget bevis for irreversibel, røntgenlignende vævsskade fra de doser af t-stråler, der ville blive brugt til kropslig billeddannelse. Indtil videre er det sikkert, siger Gian Piero Gallerano, koordinator for Terahertz Bridge.
Mens videnskabsmænd går gennem forvridninger for at producere t-stråler, har naturen det meget lettere. Terahertz-stråling fortsætter med at udbrede sig i hele rummet fra sin oprindelse i Big Bang. Siger Chamberlain, universet er fuld af det her. Inden længe kan mennesker begynde at bruge det til praktisk brug.