美國密歇根大學(xué)的研究人員受日本剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，發(fā)明了一種光旋轉(zhuǎn)裝置，可在不使用有害X射線的情況下，探測(cè)到植物和動(dòng)物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微小扭曲。

這種方法是首例實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)完全旋轉(zhuǎn)太赫茲輻射的方法，該方法可在醫(yī)學(xué)成像、加密通信和宇宙學(xué)等領(lǐng)域開辟新的視角。研究人員最感興趣的是利用太赫茲輻射，通過生物組織結(jié)構(gòu)中的扭曲（“手性”）來識(shí)別它們。組織的手性會(huì)影響它們對(duì)扭曲輻射的吸收。

太赫茲輻射是一種位于紅外輻射與毫米波之間的電磁波波譜，常在機(jī)場(chǎng)用于穿透衣物的檢查掃描。太赫茲輻射可以進(jìn)入人體約四分之一英寸，但與X射線不同，它是非電離的，這意味著它不會(huì)在體內(nèi)釋放破壞性電荷。

Nicholas Kotov說：“我們的身體結(jié)構(gòu)內(nèi)有很多扭曲的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)離人體表面的太赫茲探測(cè)范圍足夠近，太赫茲光子可以穿透這些血管、韌帶、肌纖維、分子，甚至一些螺旋細(xì)菌。”Nicholas Kotov是Joseph B.和Florence V. Cejka工程學(xué)教授，也是這項(xiàng)研究（發(fā)表于Nature Materials）的共同作者。

Kotov認(rèn)為，利用太赫茲成像技術(shù)可以獲得這些組織行為的醫(yī)學(xué)相關(guān)信息。然而，與X射線一樣，太赫茲掃描很難分辨軟組織之間的區(qū)別。

為了探索手性如何有助于區(qū)分組織，研究團(tuán)隊(duì)收集了各種生物材料，以探究太赫茲光譜中順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)輻射的吸收差異。他們研究了楓葉、蒲公英、豬油和彩虹甲蟲的翅殼。葉片和脂肪對(duì)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)輻射的吸收沒有差異，而花和翅殼表現(xiàn)出了吸收差異，在其結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)了微觀扭曲。

在此之前，這種被稱為圓二色譜的技術(shù)，在太赫茲范圍內(nèi)是無法實(shí)現(xiàn)的。在可見光等其他電磁波譜部分，就可以用天然晶體進(jìn)行扭曲，但這種扭曲受太赫茲輻射的限制，無法實(shí)時(shí)進(jìn)行。

這個(gè)新裝置看起來很簡單——其實(shí)就是將印有金色人字形圖案的塑料絲帶，切割成交錯(cuò)排列的小切口。這些切口是受到日本kirigami藝術(shù)的啟發(fā)。kirigami利用剪紙的排列方式，在紙上創(chuàng)造出3D結(jié)構(gòu)。當(dāng)絲帶被拉伸時(shí)，切口打開，絲帶片就會(huì)扭曲。然后，金線會(huì)引導(dǎo)輻射，依次將其扭曲。在輻射中，這種扭轉(zhuǎn)被稱為“圓偏振”，這與液晶顯示器（LCD）中使用的光學(xué)現(xiàn)象相同。

材料科學(xué)與工程專業(yè)的博士生、該研究的共同第一作者Choi Wonjin說：“我們年輕的時(shí)候可能都有做紙手工的經(jīng)歷，但是對(duì)于只使用折疊和切割的3D手性光學(xué)器件，并沒有設(shè)計(jì)規(guī)則。因此，我們從零開始，通過模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試了許多模型?！?/p>

研究小組提出，同樣的設(shè)計(jì)也可以拓展用于其他類型的輻射，既可以放大圖紋與微波或無線電波相互作用，也可以將圖紋縮小以操縱紅外光。

因?yàn)樾D(zhuǎn)太赫茲光并未被廣泛研究，該研究團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)之一就是弄清楚這種kirigami裝置如何有效工作。

密歇根大學(xué)的物理學(xué)博士Gong Cheng，也是本研究的共同第一作者說：“傳統(tǒng)測(cè)量太赫茲輻射的方法僅限于探測(cè)太赫茲輻射在穿過樣本的過程中所丟失的能量，但這對(duì)我們來說是不夠的?！?/p>

通過在光束路徑上堆疊相對(duì)彼此旋轉(zhuǎn)的線性偏振鏡，它們可以測(cè)量顯示圓偏振。

除成像活體組織外，太赫茲圓二色譜還可以幫助開發(fā)基于蛋白質(zhì)和抗體等大型生物分子的新藥。

Choi預(yù)計(jì)該研究的早期應(yīng)用可以加密和解密太赫茲頻譜上的通信。如果這些kirigami裝置搭載于衛(wèi)星，就可測(cè)量宇宙背景輻射太赫茲光譜的扭曲，它可以告訴我們更多關(guān)于最古老恒星的信息。

這項(xiàng)研究得到了美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和美國國防部Vannevar Bush獎(jiǎng)學(xué)金的支持。手性kirigami調(diào)制器是在Lurie納米加工平臺(tái)制備的。

Ted Norris是密歇根大學(xué)大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)Gerard A. Mourou學(xué)院教授，也是這項(xiàng)研究的通訊作者。Kotov是化學(xué)工程、材料科學(xué)與工程、高分子科學(xué)與工程的教授。