Applicazioni del laser a femtosecondi in medicina

A Laser a femtosecondiè un dispositivo generatore di "luce a impulsi ultracorti" che emette luce per un tempo ultrabreve di solo circa un trilionesimo di secondo. Fei è l'abbreviazione del prefisso femto nel Sistema Internazionale di unità e 1 femtosecondo=1×10^-15 secondi. La cosiddetta luce pulsata emette luce solo per un attimo. Il tempo di emissione della luce del flash di una fotocamera è di circa 1 microsecondo, quindi la luce a impulsi ultracorti al femtosecondo ha solo circa un miliardesimo del suo tempo per emettere luce. Come tutti sappiamo, la velocità della luce vola all'impareggiabile velocità di 300,000 chilometri al secondo (facendo il giro della terra sette volte e mezzo in un secondo). Tuttavia, in un femtosecondo, la luce avanza solo di 0,3 micron.

Di solito utilizziamo la fotografia con flash per catturare lo stato istantaneo di oggetti in movimento. Allo stesso modo, se si utilizza un laser a femtosecondi per lampeggiare, è possibile vedere ogni frammento di una reazione chimica che avviene a velocità violenta. Per fare questo, i laser a femtosecondi possono essere utilizzati per studiare i misteri delle reazioni chimiche.

Le reazioni chimiche generali procedono dopo aver attraversato uno stato intermedio ad alta energia, il cosiddetto "stato attivato". L'esistenza dello stato attivato fu teoricamente prevista dal chimico Arrhenius già nel 1889, ma poiché esistette per un istante molto breve, non poté essere osservata direttamente. Ma la sua esistenza è stata dimostrata direttamente alla fine degli anni ’80 dai laser a femtosecondi, un esempio di utilizzo dei laser a femtosecondi per individuare le reazioni chimiche. Ad esempio, la molecola di ciclopentanone si decompone in monossido di carbonio e 2 molecole di etilene nello stato attivato.

Al giorno d'oggi, i laser a femtosecondi vengono utilizzati anche in una vasta gamma di campi come la fisica, la chimica, le scienze della vita, la medicina e l'ingegneria. In particolare, si prevede che la combinazione di luce ed elettronica apra diverse nuove possibilità nei settori delle comunicazioni, dei computer e dell'energia. Questo perché l’intensità della luce può trasmettere grandi quantità di informazioni da un luogo all’altro quasi senza perdite, rendendo le comunicazioni ottiche ancora più veloci. Nel campo della fisica nucleare, i laser a femtosecondi hanno avuto un enorme impatto. Poiché la luce pulsata ha un campo elettrico molto forte, è possibile accelerare gli elettroni fino a raggiungere la velocità della luce entro 1 femtosecondo, quindi può essere utilizzata come "acceleratore" per accelerare gli elettroni.

Applicazione in Medicina
Come accennato in precedenza, nel mondo dei femtosecondi, anche la luce è congelata e non può spostarsi molto lontano, ma anche su questa scala temporale, gli atomi e le molecole nella materia e gli elettroni all’interno dei chip dei computer si muovono ancora all’interno del circuito. Se usi un impulso al femtosecondo puoi fermarlo istantaneamente e studiare cosa succede. Oltre a lampeggiare per fermare il tempo, i laser a femtosecondi possono anche praticare microfori nel metallo con un diametro fino a 200 nanometri (due decimillesimi di millimetro). Ciò significa che la luce a impulsi ultrabrevi compressa e bloccata all'interno in un breve periodo di tempo raggiunge un effetto sorprendente di emissione ultraelevata senza causare ulteriori danni all'ambiente circostante. Inoltre, la luce pulsata dei laser a femtosecondi può catturare immagini tridimensionali di oggetti con dettagli estremamente fini. La fotografia di immagini stereoscopiche è molto utile nella diagnosi medica, aprendo così un nuovo campo di ricerca chiamato tomografia ad interferenza ottica. Questa è un'immagine tridimensionale di tessuti viventi e cellule viventi catturata utilizzando un laser a femtosecondi. Ad esempio, un impulso luminoso molto breve viene diretto sulla pelle. La luce pulsata viene riflessa sulla superficie della pelle e parte della luce pulsata viene emessa nella pelle. L'interno della pelle è composto da molti strati. La luce pulsata che entra nella pelle viene riflessa indietro come una piccola luce pulsata. Dall'eco di questi vari impulsi luminosi nella luce riflessa si può conoscere la struttura interna della pelle.

Inoltre, questa tecnologia ha una grande praticità nella medicina oftalmica, in quanto è in grado di catturare immagini tridimensionali della retina nella profondità dell'occhio. Ciò consente ai medici di diagnosticare problemi con i loro tessuti. Questo tipo di esame non si limita agli occhi. Se un laser viene inviato nel corpo utilizzando la fibra ottica, può esaminare tutti i tessuti dei vari organi del corpo. In futuro potrebbe anche essere possibile scoprire se si è trasformato in cancro.

Realizzare orologi ultraprecisi
Gli scienziati ritengono che se si utilizzasse la luce visibile per realizzare un orologio laser a femtosecondi, questo sarebbe in grado di misurare il tempo in modo più preciso di un orologio atomico e nei prossimi anni diventerà l'orologio più preciso del mondo. Se l'orologio è preciso, migliora notevolmente anche la precisione del GPS (Global Positioning System) utilizzato per la navigazione in auto.

Perché la luce visibile può creare un orologio preciso? Tutti gli orologi e gli orologi sono indispensabili per il movimento di pendoli e ingranaggi. Attraverso l'oscillazione di un pendolo con una frequenza di vibrazione precisa, gli ingranaggi ruotano per secondi e gli orologi precisi non fanno eccezione. Pertanto, per realizzare un orologio più preciso, è necessario utilizzare un pendolo con una frequenza di vibrazione più elevata. Gli orologi al quarzo (orologi che utilizzano l'oscillazione del cristallo invece del pendolo) sono più precisi degli orologi a pendolo perché il risonatore al quarzo oscilla più volte al secondo.

L'orologio atomico al cesio attualmente utilizzato come standard temporale ha una frequenza di oscillazione di circa 9,2 gigahertz (il prefisso dell'unità internazionale gigahertz, 1 gigahertz=10^9). L'orologio atomico utilizza la frequenza di oscillazione naturale degli atomi di cesio e sostituisce il pendolo con microonde la cui frequenza di oscillazione è costante. La sua precisione è solo di un secondo ogni decine di milioni di anni. Al contrario, la luce visibile ha una frequenza di oscillazione che è da 100,000 a 1,000,000 volte superiore alla frequenza di oscillazione delle microonde. Cioè, l’energia della luce visibile può essere utilizzata per creare orologi di precisione che sono milioni di volte più accurati degli orologi atomici. L'orologio più preciso al mondo che utilizza la luce visibile è stato ora costruito con successo in un laboratorio.

La teoria della relatività di Einstein può essere verificata con l'aiuto di questo orologio preciso. Abbiamo posizionato un orologio così preciso nel laboratorio e l'altro nell'ufficio al piano di sotto e abbiamo considerato le possibili situazioni. Dopo una o due ore, il risultato era quello previsto dalla teoria della relatività di Einstein. A causa dei due ci sono diversi "campi gravitazionali" tra i piani, quindi i due orologi non segnano più la stessa ora e l'orologio al piano di sotto corre più lentamente dell'orologio al piano di sopra. Se venisse utilizzato un orologio più preciso, forse anche gli orologi indossati al polso e alla caviglia indicherebbero orari diversi quel giorno. Possiamo semplicemente sperimentare il fascino della relatività con l'aiuto di orologi precisi.

tecnologia di rallentamento della velocità della luce
Nel 1999, il professor Rainer Howe della Hubbard University negli Stati Uniti è riuscito a rallentare la luce fino a 17 metri al secondo, una velocità che le automobili possono raggiungere, e poi a rallentare con successo la luce fino a una velocità che anche le biciclette possono raggiungere. Questo esperimento coinvolge la ricerca più all’avanguardia in fisica. Questo articolo introduce solo due chiavi per il successo dell'esperimento. Uno è quello di costruire una "nuvola" di atomi di sodio a temperatura estremamente bassa, prossima allo zero assoluto (-273,15 gradi), uno stato gassoso speciale chiamato condensato di Bose-Einstein. L'altro è un laser che regola la frequenza di vibrazione (laser di controllo) e lo usa per illuminare una nuvola di atomi di sodio e succede qualcosa di incredibile.

Gli scienziati utilizzano innanzitutto un laser di controllo per comprimere la luce pulsata nella nuvola di atomi e rallentarla estremamente. Quindi spengono il laser di controllo e la luce pulsata scompare. Le informazioni trasportate dalla luce pulsata sono immagazzinate nella nuvola di atomi. . Quindi viene irradiato con un laser controllato e la luce pulsata viene ripristinata ed esce dalla nuvola di atomi. Di conseguenza, l'impulso originariamente compresso viene nuovamente ampliato e la velocità viene ripristinata. L'intero processo di immissione delle informazioni sulla luce pulsata nella nuvola atomica è molto simile alla lettura, archiviazione e ripristino in un computer. Pertanto, questa tecnologia può aiutare a realizzare la realizzazione dei computer quantistici.

Dal mondo del "femtosecondo" all'"attosecondo"

I femtosecondi vanno oltre la nostra immaginazione. Ora ci stiamo avventurando nel mondo degli attosecondi, che sono più brevi dei femtosecondi. Ah è l'abbreviazione del prefisso "atto" del Sistema Internazionale di Unità. 1 attosecondo=1×10^-18 secondi=un millesimo di femtosecondo. Gli impulsi di attosecondi non possono essere realizzati con la luce visibile perché l'accorciamento degli impulsi richiede l'uso di luce con lunghezza d'onda più corta. Ad esempio, se si desidera creare un impulso utilizzando la luce rossa visibile, è impossibile creare un impulso più corto di quella lunghezza d'onda. La luce visibile ha un limite di circa 2 femtosecondi, quindi gli impulsi ad attosecondi utilizzano raggi X o raggi gamma con lunghezze d'onda più corte. Non è chiaro cosa verrà scoperto in futuro utilizzando gli impulsi di raggi X ad attosecondi. Ad esempio, l’utilizzo di flash ad attosecondi per visualizzare le biomolecole ci consente di osservare le loro attività su una scala temporale molto breve e forse di identificare la struttura delle biomolecole.

Informazioni sui contatti:

Se hai qualche idea, sentiti libero di parlare con noi. Non importa dove siano i nostri clienti e quali siano le nostre esigenze, seguiremo il nostro obiettivo di fornire ai nostri clienti alta qualità, prezzi bassi e il miglior servizio.