В России разрабатывают устройство, позволяющее с помощью обычной воды менять интенсивность терагерцового излучения. Этот вид излучения — альтернатива опасному для здоровья рентгену. Предполагается, что новое устройство сможет применяться в том числе для снимков зубов и поиска подкожных новообразований.
Сейчас при лечении зубов и проведении челюстных операций применяют рентген, чтобы сделать снимок. Современные технологии сводят вред рентгена к минимуму, но сделать его абсолютно безопасным пока невозможно. В качестве альтернативы ученые рассматривают терагерцовое излучение, которое при определенных параметрах не наносит вреда живым тканям.
Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения с длиной волны от 0,1 до 1 мм.
Для создания терагерцовых систем, которые позволяют управлять интенсивностью этого вида излучения, применяют сложные и дорогие технологии, в том числе метаматериалы. Коллектив физиков из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО, входит в проект «5-100») изучил возможность применения воды для управления свойствами терагерцового излучения. Ранее никто из исследователей не использовал это вещество, потому что вода крайне эффективно поглощает этот вид излучения. Однако оказалось, что если использовать очень тонкий слой воды, им можно управлять.
— В нашем эксперименте излучение проходило через струю дистиллированной воды толщиной всего одну десятую миллиметра, — рассказывает инженер лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий ИТМО Мария Жукова. — Известно, что при высокой интенсивности излучения среда проявляет нелинейные свойства — особые эффекты, которые можно зафиксировать с помощью специальных методик. Эти нелинейности могут быть связаны с изменением показателя преломления — величины, равной отношению скорости света в вакууме к скорости в данной среде. Мы показали, что, пройдя через тонкий слой воды, терагерцовое излучение сильно изменяет свои свойства, а не только поглощается.
Исследователи сделали вывод, что вода и другие простые вещества в перспективе могут использоваться для управления параметрами излучения. Такие знания позволят приблизить внедрение новых технологий.
— Потенциал у терагерцового излучения для использования в медицине, безусловно, есть, — говорит старший научный сотрудник Института автоматики и электрометрии СО РАН Назар Николаев. — Но, вероятнее всего, оно займет в будущем определенную нишу и станет использоваться для решения узкоспециализированных задач. Дело в том, что терагерцовое излучение сильно поглощается водой и ее растворами, а человек в большой степени состоит из воды. И это затрудняет проникновение волн сквозь мягкие ткани.
Зато в эмали зубов воды практически нет, а пораженные кариесом участки содержат ее гораздо больше. Поэтому с помощью терагерцового излучения можно легко получить картину поражений зубов, где области с кариесом будут темными на фоне здоровой светлой эмали.
Вода не только поглощает, но и отражает часть падающего излучения, и на этом эффекте можно построить, например, подкожную визуализацию концентрации воды. Например, получится увидеть участки кожи, под которые интенсивно приливает кровь. Это может быть результатом травмы, а может быть вызвано онкологическим новообразованием.
Правда, что касается безопасности излучения для человека, пока для терагерцового диапазона санитарные нормы не утверждены. Научные группы проводят независимые исследования по взаимодействию его с биологическими объектами, но результаты не всегда однозначны. Однако принято считать, что терагерцовое излучение с малой энергией безопасно, поскольку сопоставимого уровня волны излучаются даже человеческим телом.
Несмотря на некоторые преимущества терагерцового излучения, пока от применения рентгена полностью отказаться невозможно, полагает инженер лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий ИТМО Максим Мельник. По его словам, в содержащие воду ткани человеческого организма не повреждающее их терагерцовое излучение проникает всего на десятые доли миллиметра. Если же сделать излучение более мощным, оно разрушит живые ткани. Зато при сканировании небиологических объектов, в которых практически нет воды, можно спокойно использовать более мощное терагерцовое излучение, которое, например, может просветить чемодан насквозь.
В дальнейшем физики из ИТМО также планируют расширить диапазон используемых материалов для управления терагерцовым излучением — в том числе для создания источников, приемников и преобразователей.
Физики из ИТМО отмечают большой потенциал терагерцового излучения в самых разных областях, а не только в медицине. Например, оно может определить наличие антибиотиков и примесей в продуктах, применяться для таможенного осмотра вещей. С помощью терагерцового излучения можно также проверять толщину каждого слоя таблетки при потоковом производстве лекарств — ведь важно, чтобы оболочка растворилась не раньше и не позже, чем нужно.