Kijken door kipfilet

Door een witgeverfd raam ziet niemand iets. Maar Twentse natuurkundigen kijken er dwars doorheen. Margriet van der Heijden

K ipfilet en witte verf. Dat zijn, naast onder meer lenzen en een laser, de ingrediënten waarmee Allard Mosk werkt. Het doel van Mosk, fysicus en onderzoeker aan de Universiteit Twente: licht door ondoorzichtige materialen heen sturen. Ofwel: kijken of je door kipfilet en witte verf heen kan kijken.

Dat klinkt onmogelijk, omdat witte verf en kipfilet bestaan uit een wanordelijke verzameling deeltjes (verfdeeltjes en cellen) die invallende lichtstralen kriskras in willekeurige richtingen verstrooien. Net zoals waterdruppels in wolken dat doen. Samen laten die weliswaar een deel van het zonlicht door, maar alleen diffuus: waar de zon staat, is niet langer te zien.

Bij witte verf en kipfilet is dat effect nog sterker. Door een met witte verf bedekt raam – of achter een kipfilet – gloort slechts een vaag schijnsel.

Toch kunnen Mosk en de vorig jaar bij hem gepromoveerde Ivo Vellekoop wel door met witte verf bestreken glaasjes en door biologische weefsels heen kijken. Het leverde hun eind december een plek op in de top tien van het beste natuurkundig onderzoek van 2008, samengesteld door het American Institute for Physics.

En het brengt toepassingen in zicht. Zoals veilige pinpassen waarin onder het plastic verscholen codes alleen met de nieuwe techniek zichtbaar worden. Of zoals het opsporen van kleine onderhuidse tumoren met licht. Mosk: “En naar die laatste toepassing werken we nu toe.”

UITDOVEN

In witte verf hebben zwevende zinkoxidedeeltjes (diameter 0,2 micrometer) de rol van de waterdruppels in wolken. Maar er treedt nóg een verschijnsel op. Het ontstaat doordat de verstrooide lichtgolven met elkaar interfereren – elkaar op de ene plek versterken (constructief), maar elkaar elders juist uitdoven (destructief). En dat laatste gebeurt zo vaak in dichte, wanordelijke materialen als witte verf dat een aanzienlijk deel van het licht verdwijnt.

Maar daar kun je ook anders naar kijken, liet de Russische fysicus Dorokhov in 1984 zien. Hij beschreef de wanordelijke materialen als een verzameling kanalen. Veel kanalen lopen dood: ze reflecteren al het licht of laten het uitdoven. Maar sommige zijn open: licht dat hierin terechtkomt, passeert het materiaal altijd, zo liet Dorokhov zien.

Mosk: “Dat betekent niet dat er een gaatje in het materiaal zit. Het gaat om een configuratie van deeltjes of cellen zodanig dat ze samen het licht precies naar de overkant verstrooien.”

Wat Mosk en Vellekoop nu proberen, is om zoveel mogelijk licht door die open kanalen te persen. Mosk: “Dat lukt alleen bij vaste stoffen zoals opgedroogde witte verf of weefsels. De plaats van verfdeeltjes of weefselcellen bepaalt immers waar de kanalen liggen, en in oplossingen of in wolken verandert die te snel.” Mosk en Vellekoop hoeven die configuratie niet te kennen. Ze gebruiken een iteratief proces waarbij ze laserlicht laten vallen op een fasemodulator die uit pixels van vloeibaar kristal bestaat. Elke pixel reflecteert het licht en past individueel de fase van de lichtgolven aan. Die fase – die het moment aanduidt in de periodieke intensiteitswisseling van een lichtgolf – is cruciaal bij verstrooiing en interferentie. De fase bepaalt dus óók hoeveel licht via dergelijke processen bij een open kanaal terechtkomt.

PIXEL VOOR PIXEL

Mosk en Vellekoop optimaliseren daarna die hoeveelheid door steeds de lichtopbrengst achter het materiaal te meten en aan de hand daarvan de fase bij te regelen. En als dat pixel voor pixel is gebeurd, focusseren zij al het licht tot een nauwe bundel (tienden van micrometers in doorsnee), die ze op het materiaal laten vallen.

In 2007 wisten zij zo de laserbundel als een heldere ronde vlek af te beelden achter een glaasje met een laag witte verf. De lichtvlek lag middenin de vage en diffuse lichtplek die normaal gesproken achter zo’n glaasje ontstaat. Alsof je door de wolken heen de zon ziet staan, zeg maar.

Met een ingenieuze pixelsetting lukte het in 2008 om de lichtopbrengst verder te verbeteren. Door te extrapoleren konden Mosk en Vellekoop toen bovendien aantonen dat in principe tweederde deel van de laserbundel door open kanalen geperst kan worden. Ongeacht de dikte van de verflaag. En precies zoals de theorie voorspelt. Om te onderzoeken of de techniek ook geschikt is voor zoiets als het opsporen van kleine, onderhuidse tumoren zoeken Mosk en promovendus Elbert van Putten nu de open kanalen in huidweefsel. “En nee”, zegt Mosk, “je kunt natuurlijk niet onderhuids een cameraatje plaatsen om het licht ‘aan de achterkant’ op te vangen. Maar je kunt wél markeerstoffen inspuiten die aan de tumoren hechten en die fluoresceren zodra er licht op valt.”

SIGNAAL

Komt er dan genoeg fluorescentielicht terug uit de huid? “Jawel”, zegt Mosk. “Proeven met kip en fluorescerende bolletjes leiden tot een zwak en diffuus schijnsel, dat bij elkaar een meetbaar signaal geeft.”

Dat het fluorescentielicht op de terugweg door verstrooiing helemaal uitwaaiert, is niet erg, zegt hij. “Je weet toch al waar het vandaan komt. Namelijk uit het punt waarop we de laserbundel hadden gericht. En dat kunnen we zo precies, dat we zelfs in individuele cellen kunnen kijken.”

Zo kun je dus nauwkeurig onderhuids weefsel aftasten. En op een vergelijkbare wijze zou je zo in de toekomst ook codes kunnen nalopen die diep onder het plastic van een pinpas verborgen liggen. “Zulke codes zijn niet te skimmen.”

Maar voorlopig bestaat de techniek buiten het lab nog helemaal niet. Om maar één ding te noemen: het oppervlak van 0,5 bij 0,5 meter aan lenzen en spiegeltjes moet eerst gereduceerd worden tot de afmetingen van een chip. Mosk: “Ik zeg niet dat het makkelijk is, maar het is zeker wel te doen.”