美國密歇根大學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，探測到植物和動物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微小扭曲。

這種方法是首例實現(xiàn)實時完全旋轉(zhuǎn)太赫茲輻射的方法，該方法可在醫(yī)學成像、加密通信和宇宙學等領域開辟新的視角。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”）來識別它們。組織的手性會影響它們對扭曲輻射的吸收。

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，常在機場用于穿透衣物的檢查掃描。太赫茲輻射可以進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，甚至一些螺旋細菌?！盢icholas Kotov是Joseph B.和Florence V. Cejka工程學教授，也是這項研究（發(fā)表于Nature Materials）的共同作者。

Kotov認為，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，研究團隊收集了各種生物材料，以探究太赫茲光譜中順時針或逆時針旋轉(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。葉片和脂肪對順時針和逆時針旋轉(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行扭曲，但這種扭曲受太赫茲輻射的限制，無法實時進行。

這個新裝置看起來很簡單——其實就是將印有金色人字形圖案的塑料絲帶，切割成交錯排列的小切口。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)。當絲帶被拉伸時，切口打開，絲帶片就會扭曲。然后，金線會引導輻射，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）中使用的光學現(xiàn)象相同。

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

研究小組提出，同樣的設計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。

因為旋轉(zhuǎn)太赫茲光并未被廣泛研究，該研究團隊面臨的挑戰(zhàn)之一就是弄清楚這種kirigami裝置如何有效工作。

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

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

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預計該研究的早期應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。

這項研究得到了美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和美國國防部Vannevar Bush獎學金的支持。手性kirigami調(diào)制器是在Lurie納米加工平臺制備的。

Ted Norris是密歇根大學大學電氣工程和計算機科學Gerard A. Mourou學院教授，也是這項研究的通訊作者。Kotov是化學工程、材料科學與工程、高分子科學與工程的教授。