Stellen Sie sich vor, Ärzte könnten dreidimensionale Projektionen medizinischer Scans erstellen und diese in einen Acrylwürfel einhängen, um eine handgehaltene Reproduktion des Herzens, des Gehirns, der Nieren oder anderer Organe eines Patienten zu erstellen. Nach Abschluss des Besuchs wird die Projektion durch einen kurzen Hitzestoß gelöscht und der Würfel ist für den nächsten Scan bereit.
A Bericht im Journal Chemie von Forschern an der Dartmouth University und der Southern Methodist University (SMU) skizziert einen technischen Durchbruch, der solche und andere Szenarien mit weitreichendem Nutzen ermöglichen könnte.
Die Studie stellt eine Technik vor, bei der mithilfe eines speziellen Lichtprojektors zwei- und dreidimensionale Bilder in jedes Polymer eingraviert werden, das einen von der Forschergruppe entwickelten lichtempfindlichen chemischen Zusatzstoff enthält. Die lichtbasierte Gravur bleibt im Polymer, bis Hitze angewendet wird, wodurch das Bild gelöscht und wieder einsatzbereit wird.
Kurz gesagt: Die Forscher schreiben mit Licht und löschen mit Hitze oder Licht, sagt Ivan Aprahamian, Professor und Lehrstuhlinhaber für Chemie in Dartmouth und Mitautor der Studie. In Testversuchen erzeugten die Forscher hochauflösende Bilder in Polymeren von dünnen bis zu sechs Zoll dicken Filmen.
Die Forscher sind in der Lage, lichtbasierte dreidimensionale und animierte Bilder in Polymeren zu erzeugen, die von dünnen bis zu 15 Zentimeter dicken Filmen reichen. Sie projizieren Ausschnitte ursprünglich zweidimensionaler Bilder, bis diese Ausschnitte zu einem vollständigen 3D- oder animierten Bild kombiniert werden. Zukünftige Arbeiten drehen sich um die Verbesserung des Prozesses zur Erstellung animierter Bilder. Bildnachweis: Ivan Aprahamian
Die Technologie ist für alle Situationen gedacht, in denen detaillierte, präzise visuelle Daten in einem kompakten und leicht anpassbaren Format von entscheidender Bedeutung sein können, sagt Aprahamian, wie etwa bei der Planung von Operationen und der Entwicklung architektonischer Entwürfe. Das Gerät könne auch zur Erzeugung von 3D-Bildern für Bildungszwecke und sogar zur Schaffung von Kunstwerken verwendet werden, sagt er.
„Das ist wie 3D-Druck, nur dass er reversibel ist“, sagt Aprahamian. „Man kann jedes Polymer nehmen, das optimale optische Eigenschaften hat – also durchscheinend ist – und es mit unserem chemischen Schalter verbessern. Jetzt ist dieses Polymer ein 3D-Display. Man braucht keine Virtual-Reality-Headsets oder komplizierte Instrumente. Alles, was man braucht, ist das richtige Stück Kunststoff und unsere Technologie.“
Leicht erhältliche Polymere – wie etwa Acrylwürfel – könnten durch Hinzufügen des lichtempfindlichen chemischen „Schalters“, den Aprahamian und Qingkai Qi, ein Postdoktorand in Dartmouth und Erstautor der Studie, entwickelt haben, in ein Display verwandelt werden. Der Schalter besteht aus einer Verbindung namens Azobenzol, die auf Licht reagiert, gepaart mit Bordifluorid, das die optischen Eigenschaften des Schalters verbessert.
Sobald der Schalter in ein Polymer integriert ist, reagiert er auf Wellenlängen von rotem und blauem Licht, das von einem Projektor ausgestrahlt wird, der im Labor von Alex Lippert, Professor für Chemie an der SMU und Co-Autor der Studie, entwickelt wurde. Der Co-Autor der Studie, Joshua Plank, ist Doktorand in Lipperts Labor. Das rote Licht wirkt wie Tinte, indem es den chemischen Zusatzstoff aktiviert, um das Bild zu erzeugen, sagt Aprahamian. Mit blauem Licht kann es dann gelöscht werden.
Der Projektor beleuchtet das behandelte Polymer aus verschiedenen Winkeln mit verschiedenen Lichtmustern, erklärt Lippert. Die in Aprahamians Labor in Dartmouth entwickelte lichtempfindliche Chemikalie wird dort aktiviert, wo sich diese Muster kreuzen, um 3D-Muster zu erzeugen.
Das Erstellen von 3D-Projektionen aus 2D-Bildern, etwa einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs, würde laut Lippert bedeuten, Ausschnitte des Originalbildes in einen Polymerwürfel oder eine andere Form zu projizieren, bis sich die Ausschnitte zu einem vollständigen 3D-Bild zusammenfügen.
Den Forschern ist es gelungen, animierte Bilder in Polymeren zu erzeugen, und künftige Arbeiten drehen sich um die Verbesserung dieses Prozesses. In der Zwischenzeit wurde die Technologie in Chemie könnte in seiner jetzigen Form für den praktischen Einsatz weiterentwickelt werden, etwa für die Industrie oder das Gesundheitswesen.
„Um die Auflösung zu erhöhen, müssen die chemischen Schaltereigenschaften angepasst werden, um Auflösung, Kontrast und Bildwiederholrate zu verbessern“, sagt Lippert. „Das Projektorsystem kann im Prinzip hochskaliert und zu einem schlüsselfertigen System mit automatisierter Hardware und zugehöriger Software für eine einfache Bedienung entwickelt werden.“
Weitere Informationen:
Ein photoschaltbares, tragbares volumetrisches 3D-Display, Chemie (2024). DOI: 10.1016/j.chempr.2024.07.012. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00355-3