211service.com
De Terahertz temmen
Net zoals röntgentechnologie in de jaren 1890 opkwam - waardoor artsen onder het vlees konden kijken om botten en organen te zien - komt er nu een andere veelbelovende beeldtechnologie uit een onderbenut deel van het elektromagnetische spectrum: de terahertz-frequenties. Deze zogenaamde t-stralen kunnen, net als röntgenstralen, door de meeste materialen heen kijken. Maar men denkt dat t-stralen minder schadelijk zijn dan röntgenstralen. En verschillende verbindingen reageren anders op terahertz-straling, wat betekent dat een op terahertz gebaseerd beeldvormingssysteem de chemische samenstelling van een verborgen object kan onderscheiden. Dankzij deze kracht wordt terahertz-beeldvorming steeds heter, zegt Xi-Cheng Zhang, een terahertz-pionier bij het Rensselaer Polytechnic Institute. Mogelijke toepassingen variëren van het opsporen van tumoren tot het vinden van plastic explosieven. En aangezien t-stralen door papier en kleding dringen, kan een terahertz-camera verborgen wapens detecteren.
Terahertz-frequenties zijn moeilijk te produceren en te detecteren. Ze zijn hoger dan microgolven, maar lager dan infrarood licht. Je weet nooit zeker of je op elektronica of optica gebaseerde technologie moet gebruiken, zegt Martyn Chamberlain van de Universiteit van Leeds in Engeland, een vooraanstaand terahertz-onderzoeker. De terahertz-bronnen die nu op de markt zijn, hebben de neiging om veel frequenties tegelijk uit te zenden, waardoor hun bruikbaarheid wordt beperkt. In het afgelopen jaar hebben verschillende onderzoeksprojecten echter aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van apparaten die t-stralen produceren binnen een smalle frequentieband - een vereiste voor nauwkeurige chemische detectie en medische beeldvorming.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juni 2003
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
Een zo'n systeem, gemaakt door Brattleboro, VT-gebaseerde Vermont Photonics, werkt door een elektronenstraal over het microscopisch gegolfde oppervlak van een geleider, zoals aluminium, te sturen; de straal zorgt ervoor dat elektronen in de geleider op en neer bewegen over de golvingen, een beweging die losse t-stralen schudt. Door de energie van de elektronenstraal te veranderen, verandert ook de gegenereerde terahertz-frequentie, zegt Michael Mross, medeoprichter van Vermont Photonics. Het bedrijf richt zijn instrument voornamelijk op het observeren van interacties met biomoleculen voor toepassingen zoals het ontdekken van geneesmiddelen. Een andere benadering is iets dat de kwantumcascadelaser wordt genoemd, een mooi stukje halfgeleidertechniek dat wordt gebruikt om infrarood licht te produceren. Het verplaatsen van de technologie naar het terahertz-assortiment vereist een buitengewoon nauwkeurige controle over de materialen. Vorig jaar demonstreerde Qin Hu, een elektrotechnisch ingenieur van het MIT, een kwantumcascadelaser die een continue terahertz-straal produceert met een goed gedefinieerde frequentie.
Een holte verschijnt duidelijk als een roze gebied in de terahertz-afbeelding van een tand (rechts). (Afbeelding met dank aan Teraview)
De meest nabije toepassing voor terahertz-technologie is in medische beeldvorming. In een ambitieuze poging heeft TeraView, een startup uit Cambridge, Engeland, terahertz-beeldvorming gebruikt om huidkanker te detecteren die aan andere beeldvormingstechnologieën ontsnapt, met name tumoren die zich onzichtbaar onder het huidoppervlak vormen. T-stralen kunnen ook onbekende biologische materialen identificeren, aangezien biomoleculen van nature trillen op terahertz-frequenties, en elk heeft een duidelijke terahertz-vingerafdruk. Met andere woorden, specifieke eiwitten absorberen bepaalde karakteristieke t-straalfrequenties, die hun moleculaire rangschikking of conformatie veranderen; sensoren kunnen deze absorptie vervolgens monitoren om de identiteit van het eiwit aan te geven. Het leven is een terahertz-proces, zegt Chamberlain. Een mogelijke toepassing is de geautomatiseerde identificatie van middelen voor biologische oorlogsvoering, zoals miltvuur. Een andere is een chemische t-ray-sensor, die zou profiteren van het feit dat andere grote moleculen, zoals polymeren, ook op karakteristieke manieren op terahertz-golven reageren. Een terahertz-camera, gebouwd door QinetiQ uit Farnborough, Engeland, maakt griezelig invasieve foto's van mensen door hun kleding heen.
Maar de interactie van t-stralen met eiwitten roept de vraag op hoe veilig blootstelling van de mens is. De Europese Unie sponsort een programma, genaamd Terahertz Bridge, om precies dat te bestuderen. Voorlopige resultaten zijn bemoedigend; onderzoekers hebben geen bewijs gezien van onomkeerbare, röntgenachtige weefselschade door de doses t-stralen die zouden worden gebruikt voor lichaamsbeeldvorming. Tot nu toe is het veilig, zegt Gian Piero Gallerano, coördinator van de Terahertz-brug.
Terwijl wetenschappers door verdraaiingen gaan om t-stralen te produceren, heeft de natuur het veel gemakkelijker. Terahertz-straling blijft zich vanaf de oorsprong in de oerknal door de ruimte voortplanten. Zegt Chamberlain, het universum zit vol met dit spul. Het duurt niet lang of mensen kunnen het praktisch gaan gebruiken.