NeoFronteras

Viendo a través de opacos

Área: Física — lunes, 15 de marzo de 2010

Sabiendo cómo matemáticamente la luz es dispersada por un objeto opaco se llegar a compensar el efecto y ver a través de él.

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Objeto transparente y opaco con sus respectivas matrices de transmisión. Fuente: American Physical Society.

Las personas no son transparentes, al menos no son físicamente transparentes. Si lo fueran se podría mirar a su través y podríamos ver cómo tienen sus órganos internos. En ese caso los estudios de anatomía se tornarían más sencillos e interesantes, pero también se facilitaría enormemente la diagnosis de ciertas enfermedades. No haría falta tampoco recurrir a los dañinos rayos X para saber si hay o no un tumor. Pero la realidad es que la carne humana es opaca.
La razón médica es una buena motivación para el estudio de cómo es la dispersión de la luz en estos casos. Si de alguna manera somos capaces de saber cómo es quizás podamos explorar el interior del cuerpo humano (o un seno sospechoso de contener un tumor) de una manera segura y barata. Aunque esto también tiene importancia en la industria, como en los análisis no destructivos empleados en el control de calidad o, como veremos más adelante, en la alta tecnología microelectrónica.
Los tejidos humanos (o el papel, la pintura, etc) son opacos porque la luz que intenta atravesarlos se dispersa de una manera complicada que parece aleatoria. A veces este tipo de problemas son tratados desde el punto de vista matemático como “problemas inversos”. Básicamente, en un modelo al uso, se sabe lo que entra, se sabe lo que sale, se sabe cómo son las interacciones interiores (en el caso aquí tratado cómo se dispersa la luz) y se hacen cambios de una manera inteligente en lo que se supone hay en el interior para saber como es éste, pero de tal modo que el modelo dé lo mismo de salida que las medidas tomadas en el mundo real.
Por tanto, cualquier avance en este campo, es interesante. Recientemente un grupo de científicos franceses del ESPCI ha mostrado que es posible enfocar la luz que atraviesa materiales opacos y detectar objetos ocultos en su interior. Los resultados del experimento aparecen en Physical Review Letters.
Los investigadores han empezado con un sistema sencillo para así demostrar que su idea funciona. Concretamente estudiaron cómo se dispersaba la luz en el óxido de zinc, que es un componente muy común de las pinturas blancas. Estudiando esto fueron capaces de construir un modelo numérico basado en lo que se denomina matriz de transmisión, que incluía 65.000 números que describen la manera en la que la capa de óxido de zinc afecta a la luz. Entonces usaron la información contenida en esta matriz para ajustar un haz de luz específicamente diseñado que atravesara la capa opaca y que se enfocara al otro lado.
Alternativamente, pudieron medir la luz que emergía del opaco y, gracias al uso de esta matriz, reconstruir una imagen de un objeto situado detrás del mismo.
Quizás lo más sorprendente de los resultados es que el experimento muestra que los materiales opacos pueden servir como elementos ópticos de alta calidad, comprables a las lentes convencionales, una vez que se ha construido una matriz de transmisión con el suficiente detalle. Además de poder ver a través de opacos, esta técnica abre la posibilidad por tanto de que los opacos puedan ser buenos elementos ópticos en dispositivos a escala nanométrica, nivel al que la construcción de lentes trasparentes y otros componentes es particularmente difícil.
Aplicada esta técnica a objetos relativamente transparentes se puede usar la matriz de transmisión para obtener reconstrucciones topográficas de muestras, y así usarlo para seguir procesos dentro de células vivas, por ejemplo.
Aunque no está claro si se puede generalizar esta aproximación a materiales con altos niveles de dispersión, se tienen esperanzas de que se pueda obtener información del interior de tejidos biológicos no transparentes, con lo que se podría aplicar al diagnóstico médico y a la investigación biológica.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3037

Fuentes y referencias:
Nota de prensa en EurekaAlert.
Artículo original (resumen).
Reportaje en Physics Spotlight.

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5 Comentarios

  1. RicardM:

    El análisis de la luz dispersada por un cuerpo opaco se utlitiza desde hace tiempo, en la técnica denominada espectroscopía RAMAN, para la identificación de partículas de sustancias químicas. Pero no veo claro (nunca mejor dicho…) como puede obtenerse información sobre lo que hay DETRAS de un cuerpo opaco si éste dispersa toda la luz incidente. Según el artículo se analiza la luz que emerge del cuerpo opaco. Si esta luz emergente contiene información sobre lo que hay detrás es porque el cuerpo no es completamente opaco. Esto es: es un poco transparente.

    Saludos.

  2. tomás:

    Por la frase “Entonces usaron la información contenida en esa matriz…”, imagino que se trata de escoger, entre las innumerables trayectorias, aquellas que toman unas direcciones que interesen. Estas, a su vez vuelven a ser desviadas y será preciso volver a hacerlo no sé cuantas veces, pero, al final, unas cuantas habrán llegado a su objetivo. En el camino de vuelta se presenta el mismo problema, con la misma o parecida solución. En definitiva, han de ser muy pocas, en relación con las que han salido, las que lleguen a su destino pero, al ser tantísimas, quizá sea posible percibir algo de lo que se desea.
    Es como lo he imaginado, quizá equivocadamente.
    En fin, un cordial saludo y mi satisfacción de haber podido “charlar” contigo.

  3. NeoFronteras:

    Estimado Ricard:
    El experimento se hizo con una capa muy fina de “pintura” que debía de dejar pasar algo de luz. Obviamente si se bloquea toda la luz no hay nada que hacer.

  4. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Me temo que es un poco más complicado que eso. se intenta aprovechar toda la información que, en este caso, está “mezclada”.

    Un cordial saludo.

  5. tomás:

    No me extraña que sea incluso mucho más complicado de lo que expreso, pero de alguna forma “física” ha de manifestarse. Y no se me ocurre otra, ya que de trayectorias y desviaciones se trata.

    He vuelto a releer el artículo y en la 3ª frase de tu segundo párrafo, vienes a decir lo mismo: “Básicamente, en un modelo…tomadas en el mundo real”. En resumen que, acertadamente o no, de algún modo hay que imaginar las cosas.

    Cuando leí “La historia del tiempo” de S. H., en su primera edición -no sé si en las siguientes ha cambiado algo y tampoco tengo el libro a mano- dibuja una estrella situada tras otra, de forma que quedarían unidas por una línea recta con el observador. Inmediatamente me di cuenta de que la curva que la luz había de realizar para que pudiera ser vista implicaba la que varios años más tarde, en un artículo de un periódico -página que guardo- me enteré se denominaba “lente de Einstein”, tema del que no tenía noticia. Sabemos que toda la teoría en que se basa era y sigue siendo de altísimo nivel, inspiración y sabiduría a la cual sólo puedo acercarme una vez el genio de su autor la ha expuesto, y he de rebanarme la sesera para intentar comprender. Pero imaginarlo es mucho más inmediato y no me extrañaría que estas mentes privilegiadas funcionen, como en todos, de manera similar. También me consta que hay otros que antes lo “ven” matemáticamente. Pero es, de todas formas necesaria una conexión entre la visión matemática y la ordinaria, sea una u otra la primera. Además el resultado ha de ser necesariamente físico. ¡Fíjate si es compleja, por ejemplo la tomografía por emisión de positrones, pero su explicación vulgar resulta sumamente sencilla!

    Corrobora mi idea la explicación que das a RicardM: “El experimento se hizo con una capa muy fina…”, luego algo de luz pasa y ha de ser sin remedio desviada.

    En fin, que sí, que indudablemente ha de ser mucho más complicado, pero por donde señalo han de ir los tiros.

    Un saludo.

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