Maschinen, die in Echtzeit Objekte und das Innere des menschlichen Körpers durchschauen können, gibt es schon seit Jahrzehnten. Aufgrund ihres Umfangs und ihrer Kosten befinden sie sich meistens auf Flughäfen, auf denen sie gescreent werden, oder in medizinischen Gebäuden, in denen MRT-Geräte, die aus mehreren Räumen bestehen, über 3 Millionen US-Dollar kosten können.
Eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der Sandia National Laboratories, der Rice University und dem Tokyo Institute of Technology zielt jedoch darauf ab, diese Art der Bildgebung viel portabler und erschwinglicher zu machen - eine Änderung, die erhebliche Auswirkungen auf die medizinische Bildgebung, die Passagierscreening und sogar die Lebensmittelinspektion haben könnte .
Die in der Zeitschrift Nano Letters beschriebene Technik verwendet Terahertz-Strahlung (aufgrund der Größe ihrer Wellenlängen auch als Submillimeterwellen bezeichnet), die zwischen den für die Elektronik typischen kleineren Wellenlängen und den für die Optik verwendeten größeren Wellenlängen liegt. Die Wellen werden von einem Sender ausgesendet, aber im Gegensatz zu größeren Maschinen von einem Detektor abgefangen, der aus einem dünnen Film dicht gepackter Kohlenstoffnanoröhren besteht, wodurch der Bildgebungsprozess weniger komplex und sperrig wird.
Etwas ähnliche Technologie wird bereits in großen Flughafen-Screening-Geräten eingesetzt. Laut François Léonard von Sandia Lab, einem der Autoren der Veröffentlichung, werden für die neue Technik sogar noch kleinere Wellenlängen verwendet - zwischen 300 Gigahertz und 3 Terahertz anstelle der üblichen 30 bis 300 Gigahertz Frequenz von Millimeterwellen.
Die kleinere Wellenlänge könnte aus Sicherheitsgründen hilfreich sein, sagt Léonard: Einige Sprengstoffe, die im Millimeterbereich nicht so gut sichtbar sind, können mit der Terahertz-Technologie gesehen werden. Diese Detektoren könnten aufgrund ihrer geringen Größe nicht nur schnellere Screenings ermöglichen, sondern auch besser für die Aufgabe geeignet sein, potenzielle Terroristen aufzuhalten.
Für die Industrie war es eine Herausforderung, Materialien zu finden, die die Energie bei so niedrigen Frequenzen nicht nur effizient absorbieren, sondern auch in ein nützliches elektronisches Signal umwandeln können. Deshalb ist die Detektionstechnologie die eigentliche Innovation. Da Kohlenstoffnanoröhren (lange, dünne, zylindrische Stücke von Kohlenstoffmolekülen) elektromagnetisches Licht hervorragend absorbieren, haben sich Forscher seit langem für ihre Verwendung als Detektoren interessiert. Da Terahertz-Wellen im Vergleich zur Größe der Nanoröhren groß sind, war in der Vergangenheit die Verwendung einer Antenne erforderlich, was zu den Anforderungen an Größe, Kosten und Leistung eines Geräts beiträgt.
„Bisherige Nanoröhrchendetektoren verwendeten nur eine oder wenige Nanoröhrchen“, sagt Léonard. "Da Nanoröhren so klein sind, musste die Terahertz-Strahlung in die Nanoröhre geleitet werden, um die Detektivität zu verbessern."
Jetzt haben die Forscher jedoch einen Weg gefunden, mehrere Nanoröhren in einem dicht gepackten dünnen Film zu kombinieren. Dabei werden sowohl metallische Nanoröhren, die die Wellen absorbieren, als auch halbleitende Nanoröhren kombiniert, die dabei helfen, die Wellen in ein brauchbares Signal umzuwandeln. Laut Léonard wäre es äußerst schwierig, diese Dichte mit anderen Detektortypen zu erreichen.
Laut den Forschern erfordert diese Technik keine zusätzliche Leistung, um zu funktionieren. Es kann auch bei Raumtemperatur betrieben werden - ein großer Gewinn für bestimmte Anwendungen wie MRT-Geräte, die in flüssigem Helium gebadet werden müssen (Temperaturen um 450 Grad unter Null Fahrenheit), um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten.
Dieses Video gibt einen Blick hinter die Kulissen, wie die Prozedur aussieht:
Junichiro Kono, Physiker an der Rice University, einer der anderen Autoren der Zeitung, ist der Ansicht, dass die Technologie auch zur Verbesserung eingesetzt werden kann Sicherheitsüberprüfungen von Passagieren und Fracht. Er glaubt aber auch, dass die Terahertz-Technologie eines Tages sperrige, teure MRT-Geräte durch ein Gerät ersetzen könnte, das viel kleiner ist.
"Die potenziellen Verbesserungen in Bezug auf Größe, Einfachheit, Kosten und Mobilität eines Terahertz-basierten Detektors sind phänomenal", sagte Kono in einer Geschichte der Rice University über die Forschung. „Mit dieser Technologie könnte man denkbarerweise eine tragbare Terahertz-Erkennungskamera entwickeln, die Tumore in Echtzeit punktgenau abbildet. Und dies könnte ohne die Einschüchterung der MRT-Technologie geschehen. “
Laut Léonard ist es noch zu früh, um zu sagen, wann ihre Detektoren den Weg vom Labor zu den tatsächlichen Geräten finden, aber er sagt, dass sie zuerst in tragbaren Geräten verwendet werden können, um Lebensmittel oder andere Materialien zu inspizieren, ohne sie zu beschädigen oder zu stören. Im Moment steckt die Technik noch in den Kinderschuhen und ist auf das Labor beschränkt. Wir werden wahrscheinlich warten müssen, bis Prototypen hergestellt sind, bevor wir genau wissen, wo diese Terahertz-Detektoren am besten funktionieren.
