Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τους καθηγητές XUE Tian και MA Yuqian από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC), σε συνεργασία με πολλαπλές ερευνητικές ομάδες, κατόρθωσε να ενεργοποιήσει με επιτυχία την ανθρώπινη χωροχρονική έγχρωμη όραση στο εγγύς υπέρυθρο (NIR) μέσω φακών επαφής ανοδικής μετατροπής (UCLs). Η μελέτη δημοσιεύθηκε διαδικτυακά στο Cell στις 22 Μαΐου 2025 (EST) και παρουσιάστηκε σε δελτίο τύπου απόΠίεση κυττάρου.
Στη φύση, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα εκτείνονται σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, αλλά το ανθρώπινο μάτι μπορεί να αντιληφθεί μόνο ένα στενό τμήμα γνωστό ως ορατό φως, καθιστώντας το φως NIR πέρα από το κόκκινο άκρο του φάσματος αόρατο σε εμάς.
Σχήμα 1. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα και φάσμα ορατού φωτός (Εικόνα από την ομάδα του καθηγητή XUE)
Το 2019, μια ομάδα με επικεφαλής τους καθηγητές XUE Tian, MA Yuqian και HAN Gang πέτυχε μια σημαντική ανακάλυψη εγχύοντας νανοϋλικά ανοδικής μετατροπής στους αμφιβληστροειδείς των ζώων, επιτρέποντας την πρώτη δυνατότητα όρασης NIR με γυμνό μάτι σε θηλαστικά. Ωστόσο, λόγω της περιορισμένης εφαρμογής της ενδοϋαλοειδικής έγχυσης στους ανθρώπους, η βασική πρόκληση για αυτήν την τεχνολογία έγκειται στη δυνατότητα ανθρώπινης αντίληψης του φωτός NIR μέσω μη επεμβατικών μέσων.
Οι μαλακοί διαφανείς φακοί επαφής κατασκευασμένοι από σύνθετα πολυμερή παρέχουν μια φορητή λύση, αλλά η ανάπτυξη UCL αντιμετωπίζει δύο κύριες προκλήσεις: την επίτευξη αποτελεσματικής ικανότητας μετατροπής προς τα πάνω, η οποία απαιτεί πρόσμιξη νανοσωματιδίων υψηλής μετατροπής προς τα πάνω (UCNPs), και τη διατήρηση υψηλής διαφάνειας. Ωστόσο, η ενσωμάτωση νανοσωματιδίων σε πολυμερή μεταβάλλει τις οπτικές τους ιδιότητες, καθιστώντας δύσκολη την εξισορρόπηση της υψηλής συγκέντρωσης με την οπτική διαύγεια.
Μέσω της τροποποίησης της επιφάνειας των UCL και της διαλογής πολυμερικών υλικών με αντιστοιχισμένο δείκτη διάθλασης, οι ερευνητές ανέπτυξαν UCLs (UCLs) επιτυγχάνοντας ενσωμάτωση UCL 7-9% διατηρώντας παράλληλα διαφάνεια πάνω από 90% στο ορατό φάσμα. Επιπλέον, τα UCLs επέδειξαν ικανοποιητική οπτική απόδοση, υδροφιλικότητα και βιοσυμβατότητα, με πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν ότι τόσο τα μοντέλα ποντικών όσο και οι άνθρωποι που τα φορούσαν μπορούσαν όχι μόνο να ανιχνεύσουν το φως NIR αλλά και να διαφοροποιήσουν τις χρονικές συχνότητές του.
Ακόμα πιο εντυπωσιακό είναι ότι η ερευνητική ομάδα σχεδίασε ένα φορετό σύστημα γυαλιών, ενσωματωμένο σε UCL και βελτιστοποιημένη οπτική απεικόνιση, για να ξεπεράσει τον περιορισμό ότι τα συμβατικά UCL παρέχουν στους χρήστες μόνο μια χονδρική αντίληψη των εικόνων NIR. Αυτή η εξέλιξη επιτρέπει στους χρήστες να αντιλαμβάνονται εικόνες NIR με χωρική ανάλυση συγκρίσιμη με την όραση ορατού φωτός, επιτρέποντας την ακριβέστερη αναγνώριση σύνθετων μοτίβων NIR.
Για να αντιμετωπίσουν περαιτέρω την εκτεταμένη παρουσία πολυφασματικού φωτός NIR σε φυσικά περιβάλλοντα, οι ερευνητές αντικατέστησαν τα παραδοσιακά UCNPs με τριχρωματικά UCNPs για να αναπτύξουν τριχρωματικούς φακούς επαφής μετατροπής προς τα πάνω (tUCLs), οι οποίοι επέτρεψαν στους χρήστες να διακρίνουν τρία διακριτά μήκη κύματος NIR και να αντιλαμβάνονται ένα ευρύτερο φάσμα χρωμάτων NIR. Ενσωματώνοντας πληροφορίες χρώματος, χρόνου και χώρου, τα tUCLs επέτρεψαν την ακριβή αναγνώριση πολυδιάστατων δεδομένων κωδικοποιημένων με NIR, προσφέροντας βελτιωμένη φασματική επιλεκτικότητα και δυνατότητες αντι-παρεμβολής.
Σχήμα 2. Η χρωματική εμφάνιση διαφόρων μοτίβων (προσομοιωμένοι ανακλαστικοί καθρέφτες με διαφορετικά φάσματα ανάκλασης) υπό ορατό και μη υπέρυθρο φωτισμό, όπως φαίνεται μέσω του συστήματος φορετών γυαλιών που είναι ενσωματωμένο με tUCLs. (Εικόνα από την ομάδα του καθηγητή XUE)
Σχήμα 3. Τα UCL επιτρέπουν την ανθρώπινη αντίληψη του φωτός NIR σε χρονικές, χωρικές και χρωματικές διαστάσεις. (Εικόνα από την ομάδα του καθηγητή XUE)
Αυτή η μελέτη, η οποία κατέδειξε μια φορετή λύση για την όραση NIR σε ανθρώπους μέσω UCL, παρείχε μια απόδειξη της ιδέας για την όραση χρωμάτων NIR και άνοιξε πολλά υποσχόμενες εφαρμογές στην ασφάλεια, την καταπολέμηση της παραποίησης και τη θεραπεία των ελλειμμάτων της όρασης χρωμάτων.
Σύνδεσμος χαρτιού:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Γράφτηκε από τον XU Yehong, SHEN Xinyi, Επιμέλεια από τον ZHAO Zheqian)
Ώρα δημοσίευσης: 07 Ιουνίου 2025