Терагерцовая щель в науке: чем ее можно “заполнить”
Терагерцовое излучение или Т-лучи — это часть электромагнитного спектра, ограниченная частотами от 0,1 до 10 терагерц (ТГц) или длинами волн от 3 миллиметров до 30 микрометров. Эта область спектра находится между микроволнами и инфракрасным светом. Участок часто называют «терагерцовой щелью», подчеркивая обидной кличкой некоторую «бесполезность» волн с указанной длиной в практических приложениях.
Со стороны коротких волн в «щели» перестают хорошо работать оптические методы, со стороны длинных — отказывают радиофизические. Создать мощные источники и чувствительные приемники терагерцового излучения — довольно непростая задача. Потому оно долгое время считалось непрактичным. В 2001 году в мире над этой темой трудились около 85 групп исследователей. Сейчас это число больше в 20−30 раз. Плоды работ ученых — это применение терагерцового излучения в системах безопасности, астрономии и медицине.
Одежда прозрачна для терагерцовых волн. С другой стороны они безопасны для человека, так как полностью задерживаются жидкостями и не ионизируют среду — не отрывают от атома электроны и не разрушают вещество. Эти свойства позволяют применять терагерцовое излучение при осмотре в аэропортах и на вокзалах вместо вредного рентгена.
В астрономии тоже есть небольшая ниша для «изгоя» электромагнитного спектра. Часть космического фона — это излучение с частотой 1 ТГц — наш парень. Большинство фотонов обладают меньшей энергией или более низкими частотами и составляют так называемое реликтовое излучение. Но если поймать терагерцовые волны, можно заглянуть намного глубже во Вселенную. К сожалению, для этого нужны очень чувствительные детекторы, которые обычно основаны на сверхпроводниковых технологиях, синоним которых — «Дайте денег! Больше денег!»
В медицине терагерцовое излучение используется довольно редко. Диагностика с помощью этих волн точнее, чем с применением волн оптического диапазона, но заметно уступает тому же рентгену. При лечении опухолей тоже есть ограничения. Из-за поглощения терагерцового излучения жидкостями организма его прямое воздействие на раковые клетки возможно только в поверхностных кожных слоях.
Можно ли «заполнить» терагерцовую щель еще каким-нибудь полезным применением? Исследовательская группа из Центра передовой фотоники RIKEN недавно нашла возможное направление. Ученые обнаружили, что энергия излучения передается жидкости через создаваемые им ударные волны. Учитывая это, группа решила проверить, сможет ли терагерцовое излучение также воздействовать на ткани, и что при этом произойдет с живыми клетками. В своей работе, опубликованной в Scientific Reports, исследователи подвергли терагерцовой «пытке» белок под названием актин. Актин является ключевым элементом, формирующим клетки организмов.
Актин может существовать в двух формах: G-актин и F-актин, которые имеют различные структуры и функции. G-актин при этом может превращаться в своего F-товарища. В ходе эксперимента выяснилось, что влияние терагерцового излучения на водный раствор актина препятствует формированию белковых цепей G-актина и мешает его превращению в F-актин.
Сначала исследователи решили, что процесс роста может тормозить температура. Терагерцовое излучение граничит с инфракрасной областью и тоже нагревает вещество. Однако повышение температуры на 1,4 градуса по Цельсию не могло так сильно замедлить образование актина. Тогда ученые пришли к выводу, что виновата ударная волна. Чтобы дополнительно проверить гипотезу, они провели эксперименты на живых клетках. Выяснилось, что в клетках, как и в растворе, образование актина под действием терагерцового излучения было нарушено. При этом не было никаких признаков гибели самих клеток.
То, что терагерцовое излучение может воздействовать на белки внутри клеток, не убивая их самих клеток — это огромный потенциал для лечения рака. Ученые и дальше будут продолжать эксперименты, которые, возможно, приведут к вытеснению вредной химиотерапии с арены, на которой много лет идет сражение с раком.
