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太神奇了!眼睛植入纳米天线,黑夜将一片光明!

2019-10-22 09:09
我的极刻
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夕阳西沉,夜幕渐渐笼罩大地,万家灯火依次点起,映照着街市如同白昼。从城市中心往外辐射,行人渐渐稀少,路上的灯光也越来越稀疏。在偏远的农村,很多小路甚至看不见一丝灯光,伸手不见五指。

“黑夜给了我一双黑色的眼,我却用它来寻找光明”。数万年来,在黑暗中寻找光明一直是人类追寻的梦想,远古时期的钻木取火,农耕时代的蜡烛、油灯,再到爱迪生发明的电灯泡,人类的脚步从未停歇。前不久,科技取得新突破,或许能让人类具有红外光感知能力,不借助任何外部光源,轻松实现夜间视物。

据悉,这次突破由中国科学技术大学生命科学与医学部薛天研究组与美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲研究组合作,结合视觉神经生物医学与创新纳米技术,首次实现了动物裸眼红外光感知和红外图像视觉。

可见光与红外光

色彩的多样性让这个世界充满趣味,我们生活常见的有白、黑、银、红、蓝、绿,可谓五彩斑斓。不过自然界中的光线远不止我们肉眼看到的这些,还有波长大于可见光的红外线(>0.76μm)和小于可见光的紫外线(<0.4μm)。由于眼睛中的感光蛋白特性限制,人类无法肉眼看见红外线。而在动物界中,也只有蛇类等少数物种可以利用特殊器官的温度感受器来探测到红外线。为了“看见”红外线,人们发明了以光电转换和倍增技术为基础的红外夜视仪,以技术手段实现了夜间视物。

红外夜视仪让人类第一次在绝对黑暗环境下实现行动自如,它的诞生拓展了人类的视觉边界。然而,红外夜视仪有诸多缺陷,如笨重、佩戴后行动不便、需要靠有限的电池供电、可能被强光过曝、同可见光环境不兼容等。一直以来,除了军事领域以及部分民用暗访领域,并不会有人主动佩戴红外夜视仪。

生活中,遇到困难我们找警察,而在科研领域,有困难就该科学家出场了。教科书上都说红外线是不可见的,但是华盛顿大学医学院的科学家发现,在特定条件下,视网膜可以感受到红外线。研究者发现,当激光器快速发射红外光脉冲时,视网膜中的感光细胞有时会吸收双倍的红外能量,这时,人眼就能看见可见光谱之外的红外光。

神奇的纳米天线

华盛顿大学医学院的发现开启了全新的研究方向,即抛开外界仪器,直接刺激人类或其他动物的眼球细胞,使其“看见”红外光。人类为何看不到红外光?主要是由于红外光光子能量较低。华盛顿大学的团队采纳的方案是在视网膜中的色素连续快速地投射两个波长为 1000 纳米的红外光光子,这样传递的能量与一个波长为 500 纳米的光子一次投射的能量相同。

薛天与韩纲的团队反其道行之,通过改变眼睛感光蛋白吸收能量阈值,使热能更容易自发激发感光蛋白活性,实现看见红外光。韩纲团队从事视觉研究多年,数年前成功发现一种纳米材料,可以将近红外光转换成绿色可见光线。

为了将这种纳米材料成功送到眼球表面,薛天与韩纲的团队合作,研究出一种特异表面修饰方法,使纳米天线可以与感光细胞膜表面特异糖基分子紧密连接,从而牢牢地贴附在感光细胞表面。研究人员还将这种纳米天线制成眼药水,滴在实验室小白鼠眼球上,可以让它们保持十天左右感知红外线能力。经过多种视觉神经生理实验,研究人员发现小白鼠甚至能分辨复杂的红外图像。若是能将这项纳米天线技术应用到人类身上,我们眼中的黑夜将一片光明。

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