L'infraroig,radiació infraroja ollum infraroja (IR) és la part de l'espectre electromagnètic amb unalongitud d'ona més llarga que lallum visible però més curta que la radiació demicroones. El seu nom significa 'per sota del vermell', ja que elvermell és el color de la llum visible amb una majorlongitud d'ona. La radiació infraroja s'estén al llarg de tresordres de magnitud amb longituds d'ona d'entre 700nanòmetres i 1mil·límetre. Tot i que elsvertebrats no poden percebre la radiació infraroja en forma de llum, si que la poden percebre com acalor per unes terminacions nervioses especialitzades de la pell conegudes com a termoreceptors.[1]
Els infraroigs van ser descoberts a començaments delsegle xix per l'astrònom anglès d'origen alemanyWilliam Herschel. Herschel va col·locar untermòmetre demercuri sobre l'espectre solar obtingut per unprisma de vidre, amb la finalitat de mesurar la calor emesa per cadacolor. Va descobrir que la calor era més forta al costat de l'extrem vermell de l'espectre i va observar que allí no hi havia llum. Aquesta va ser la primera experiència que mostrà que la calor pot transmetre's com una forma invisible de radiació. Els primers detectors de radiació infraroja van ser elsbolòmetres, instruments que captaven la radiació infraroja per l'augment de temperatura produït en un detector.
La radiació infraroja forma part de l'espectre electromagnètic, que inclou totes les freqüències de lesones electromagnètiques, i s'ordena en funció de la freqüència dels senyals i de la sevalongitud d'ona d'acord amb el que s'indica a la taula següent:
Una fotografia d'un arbre, alternativament es mostra la imatge presa amb llum infraroja i la presa amb llum visible.
Els objectes emeten radiació infraroja al llarg de tot l'espectre de longituds d'ona, però atès que habitualment els sensors són dissenyats per detectar la radiació dins d'un interval de longituds d'ona, la banda infraroja s'acostuma a dividir en diverses seccions.
LaComissió Internacional d'Il·luminació (habitualment coneguda com aCIE a causa del seu nomfrancès,Commission internationale de l'éclairage) recomana la divisió de la radiació infraroja en tres bandes espectrals:[2]
IR-A: 700 nm–1400 nm
IR-B: 1400 nm–3000 nm
IR-C: 3000 nm–1 mm
Una altra divisió en bandes espectrals força habitual enenginyeria és aquesta:[3]
infraroig proper (NIR o IR-A), 0,75–1,4 µm, definits per l'absorció enaigua i utilitzat habitualment en la comunicació perfibra òptica, gràcies a la poca absorció en vidres de SiO₂.
infraroig mitjà (MIR):
infraroig d'ona curta (SWIR o IR-B), 1,4–3 µm, l'absorció en aigua augmenta considerablement a 1.450 nm
A l'astronomia s'acostuma a dividir l'espectre infraroig d'aquesta manera:[4]
Proper: de (0.7-1) a 5 µm
Mitjà: de 5 a (25-40) µm
Llunyà: de (25-40) a (200-350) µm
Aquestes divisions no són precises i varien en funció de la publicació i són utilitzades per a l'observació de diferents intervals de temperatura a l'espai.
A lestelecomunicacions basades en la utilització de la llum, la part de l'espectre infraroig se subdivideix encara en més bandes espectrals, en funció de la resposta de detectors, amplificadors, fonts ifibres òptiques:[5]
Banda
Descripció
Longitud d'ona
Banda O
Original
1260–1360 nm
Banda E
Estesa
1360–1460 nm
Banda S
Ona curta
1460–1530 nm
Banda C
Convencional
1530–1565 nm
Banda L
Ona llarga
1565–1625 nm
Banda U
Ona ultrallarga
1625–1675 nm
La banda C és la predominant a les xarxes de telecomunicació de llarga distància. Les bandes S i L es basen en tecnologies poc desenvolupades i tenen poca utilització.
A les longituds d'ona adjacents a les de la llum visible i fins a aquelles d'unes poques micres (micròmetres, µm), els fenòmens associats són essencialment els mateixos que els de la llum visible, tot i això cal tenir present que la resposta dels materials a la llum visible no és en absolut indicatiu del comportament que presenten davant la llum infraroja. Per exemple, per a longituds més enllà de 2 micres, elvidre normal que trobem a les nostres cases ésopac, el mateix passa amb moltsgasos, el que implica que hi hagi finestres d'absorció (intervals de longituds d'ona) a les que l'aire és opac i, per tant, haurà una sèrie de freqüències de l'espectre solar que no ens arribaran i no podran ser observades sobre la Terra. Entre 3 i 5 micres hi ha una finestra que correspon al pic d'emissió de radiació infraroja dels cossos molt calents, aquesta banda s'utilitza per exemple en els sistemes de seguiment i recerca d'objectius d'alguns tipus demíssils.
Per contra, hi ha molts materials que els nostresulls són perfectament opacs però que són més o menystransparents a les longituds d'ona de la radiació infraroja. Per exemple, elsilici i elgermani presenten una opacitat tan reduïda a aquestes longituds d'ona que són utilitzats per a la fabricació delents i fibres òptiques (l'atenuació que presenten és de l'ordre de 0,2dB/km en el cas d'una longitud d'ona de 1550 nm). A més, molts tipus deplàstic sintètic presenten una bona transparència a aquestes radiacions.
Per a longituds d'ona més grans el comportament s'assimila més al que trobem en el cas de lesones de ràdio.
Imatge termogràfica d'un gos en la banda infraroja. Les zones més brillants corresponen zones més calentes del cos.
La radiació infraroja està associada sovint a lacalor, ja que els objectes atemperatura ambient o superior emeten radiació principalment concentrada en la banda de l'infraroig mitjà. Això permet utilitzar els infraroigs per determinar la temperatura d'objectes a distància (si se'n coneix l'emissivitat). Aquesta tècnica s'anomenatermografia o, en el cas d'objectes molt calents,pirometria. La termografia s'utilitza bàsicament en aplicacions industrials i militars.
Lescàmeres tèrmiques detecten la radiació infraroja entre els 900 i els 14.000 nm de l'espectre electromagnètic (0,9 a 15 µm) i produeixen imatges. Atès que la radiació infraroja és emesa per tots els objectes en funció de la seva temperatura, d'acord amb la llei de la radiació d'uncos negre, la termografia fa possible “veure” l'entorn amb il·luminació visible o sense. La quantitat de radiació que emet un objecte s'incrementa amb la temperatura, per tant, la termografia permet veure la variació de la temperatura dels cossos, d'aquí el seu nom.
Els infraroigs també s'utilitzen en els equips devisió nocturna quan la quantitat dellum visible és insuficient per veure els objectes.[6] Els dispositius de visió nocturna funcionen per mitjà d'un procés que converteix elsfotons de la llum ambient en electrons que són amplificats utilitzant mètodes químics i elèctrics i després convertits un altre cop en llum visible,[6] que es presenta en una pantalla en forma d'imatges que poden ser monocromes, els objectes més calents es mostren com els més lluminosos, o també es pot utilitzar un sistema de falsoscolors per representar les diferents temperatures. La utilització de fonts de radiació infraroja permet augmentar la quantitat de llum ambient que pot ser utilitzada pels dispositius de visió nocturna per generar les imatges, incrementant la visibilitat sense utilitzar llum visible.[6] Els aparells de visió nocturna s'han estès entre elsexèrcits de molts països perquè permeten les operacions militars durant la nit en millors condicions de visibilitat dels objectius.
Un telèfon mòbil amb un port de comunicació per infrarojos de tipus IrDA. Per mitjà d'aquest canal podem intercanviar informació entre l'ordinador i el telèfon, telèfons, imatges, sons, etc.
La transmissió de dades a través de la radiació infraroja també s'utilitza en aplicacions de comunicació a curta distància, com per exemple entre elsordinadors i els seusperifèrics, o entre els ordinadors i elsPDA o elstelèfons mòbils. Aquests aparells que incorporen aquest tipus de comunicació segueixen generalment un estàndard publicat per laInfrared Data Association oIrDA. Un altre ús molt comú és el que fan elscomandaments a distància, que generalment utilitzen els infraroigs en comptes d'ones de ràdio, ja que així no interfereixen amb altres senyals electromagnètics com els senyals de televisió. Els infraroigs són adequats per a ser utilitzats en interiors i en presència de les persones, no traspassen les parets i no poden interferir amb els aparells que pugui haver a les altres habitacions. Tant els comandaments a distància com els aparells IrDA utilitzendíodes emissors de llum per generar una radiació infraroja que esdevé un feix estret en passar per unalent de plàstic, aquest feix ésmodulat per codificar les dades a transmetre. Del costat del receptor hi ha unfotodíode de silici que converteix la radiació infraroja que rep en uncorrent elèctric, i que només respon al senyal polsant que crea l'emissor, filtrant la radiació infraroja de l'ambient, que canvia a poc a poc.
Lacomunicació òptica a través de l'aire utilitzant unlàser d'infraroigs és una alternativa relativament barata (especialment si ho comparem amb el cost un enllaç de fibra òptica) per a enllaços de comunicacions a àrees urbanes, aquests enllaços operen a més de 4 gigabit/s (4000Mbps).
A les comunicacions a través de fibra òptica s'utilitzen làsers d'infraroigs per aconseguir la llum necessària per transmetre la informació, la radiació utilitzada acostuma a ser d'una longitud d'ona al voltant de 1330 nm (si es vol aconseguir una mínimadispersió) o 1550 nm (per aconseguir una millor transmissió) en el cas de les fibres òptiques estàndards de silici.
La radicació infraroja pot ser utilitzada com una font de calor. Les seves aplicacions en aquest camp van des de la calefacció domèstica fins a sistemes per treure elglaç de les ales delsavions, passant per escalfadors especials per a tractaments defisioteràpia o els escalfadors d'aliments. També hi ha aplicacions en el camp de laindústria: formació de plàstics, tancament de contenidors plàstics, soldadura de plàstics, etc.
Fotografia d'Europa a la banda infraroja presa pelMeteosat el 29 de febrer del 2008.
Elssatèl·lits meteorològics són equipats amb escànners que treballen a la banda infraroja que permeten obtenir imatges que permeten determinar l'espessor i el tipus delsnúvols o calcular la temperatura de la superfície de la terra i de l'aigua. Aquests sensors treballen entre els 10,3 i els 12,5 µm.
Els núvols alts formats per partícules deglaç com elscirrus o els núvols de gran desenvolupament vertical com elscumulonimbes es mostren en un color blanc brillant, per contra, els núvols baixos més calents com elsestratus o elsestratocúmulus es mostren en gris. La superfície de la terra calenta es mostra en gris fosc o negre. Un dels desavantatges de l'infraroig rau en el fet que els núvols baixos i laboira tenen una temperatura similar a la de la terra o superfícies marina i no es pot diferenciar. Tanmateix utilitzant la diferència de lluminositat del canal IR4 (10,3 a 11,5 µm) i la del canal de l'infraroig proper (1,58 a 1,64 µm) es poden diferenciar els núvols baixos produint una “boira” a la imatge. El gran avantatges de l'infraroig és que les imatges es poden obtenir també durant la nit, cosa que permet disposar d'una seqüència contínua de l'evolució del temps.
En el camp de laclimatologia es monitora la radiació infraroja per detectar tendències a l'intercanvi d'energia entre laTerra i l'atmosfera. Aquestes tendències aporten informació sobre els canvis a llarg termini del clima terrestre. Aquest és, juntament amb laradiació solar, un dels principals paràmetres estudiats a la recerca de l'escalfament global.
Els investigadors utilitzen un aparell anomenatpirogeòmetre per a mesurar de manera continuada la irradiància terrestre, es tracta d'un radiòmetre que treballa a la banda infraroja, aproximadament entre els 4,5 i els 50 µm.
Un espectròmetre d'infrarojos Varian Scimitar 1000 FT-IR
L'espectroscòpia d'infraroig és una tècnica que s'utilitza per identificarmolècules per mitjà de l'anàlisi dels seusenllaços. Cada enllaç químic d'una molèculavibra a una freqüència característica i a moltes molècules aquesta freqüència es troba dins de la radiació infraroja. Quan una molècula absorbeix un fotó, passa del seuestat fonamental a un estat excitat (on vibra). En un espectre típic d'infrarojos a lesabscisses ens trobem amb una escala de freqüències expressada pelnombre d'ona, i en lesordenades el percentatge detansmitància (elquocient entre elflux radiant que travessa un medi i el que hi incideix). De manera que si un material és transparent a la radiació infraroja el seu espectre es presentarà com una línia paral·lela a l'eix d'abscisses. En canvi, en el cas d'un material que no sigui completament transparent es verificaran les absorcions i les transicions entre elsnivells d'energia vibracionals. En aquest cas, l'espectre obtingut es caracteritzarà per una sèrie de pics de diferents alçades que correspondran a cadascuna de les transicions.
Alguns mètodes especialitzats com l'espectroscòpia d'infraroig proper o NIRS (Near infrared spectroscopy) són especialment utilitzats en la indústria agroalimentària per analitzar la qualitat dels productes agrícoles i delsaliments a través de la determinació de la humitat, proteïnes, fibres, etc. Aquest mètode també s'utilitza a les indústries químiques, farmacèutiques i petroquímiques.
Dues imatges delcúmul del Trapezi a laNebulosa d'Orió captades peltelescopi espacialHubble. La de l'esquerra correspon a l'espectre visible mentre que la de la dreta és una imatge presa per una càmera d'infrarojos i mostra un eixam d'estrelles que no s'aprecien a la imatge de l'esquerra.
Els astrònoms observen elsobjectes astronòmics a la regió infraroja de l'espectre electromagnètic utilitzant components òptics, miralls, lents i detectors d'estat sòlid. Per tal de generar una imatge sense interferències és necessari que els components d'un telescopi d'infrarojos siguin aïllats de qualsevol font de calor i que els detectors siguin refrigerats, per a aquesta funció s'utilitzahelilíquid.
La sensibilitat delstelescopis d'infrarojos situats a la Terra és força limitada a causa de la presència devapor d'aigua a l'atmosfera que absorbeix una porció de la radiació infraroja que arriba de l'espai a través d'unafinestra atmosfèrica (La part de l'espectre electromagnètic que conté les radiacions que no han estat absorbides o reflectides per l'atmosfera terrestre). Aquesta limitació pot ser anul·lada parcialment emplaçant elsobservatoris a granaltura (muntanyes) o transportant el telescopi a un avió o unglobus. Però la manera d'eliminar completament la limitació és posant els telescopis fóra de l'atmosfera de la Terra, l'espai exterior és l'emplaçament ideal per aquest tipus de telescopis d'infrarojos.
La fracció infraroja de l'espectre presenta diversos beneficis per als astrònoms, per exemple, permet detectar elsnúvols moleculars de gas ipols de la nostragalàxia perquè llueixen en ser irradiats per la calor de lesestrelles que s'estanformant al seu interior. L'infraroig també permet la detecció de lesprotoestrelles abans que comencin a emetre llum visible. Les estrelles només emeten una petita part de la seva energia en la fracció infraroja de l'espectre electromagnètic, per això els objectes freds que hi ha en les seves proximitats com elsplanetes poden ser més fàcilment detectats (en la fracció visible de l'espectre la resplendor de l'estrella anul·la la llum reflectida pel planeta).
La radiació infraroja també és molt útil per observar els nuclis de lesgalàxies actives que sovint són tapats pel gas i lapolsinterestel·lars. Les galàxies distants amb un grandesplaçament cap al roig tindran un pic al seu espectre desplaçat vers longituds d'ona més llargues, per això són més fàcilment observables a la banda infraroja.[7]
El seguiment per infrarojos és un sistema de guiatge demíssils que es basa en l'emissió de radiació infraroja per part dels objectius. Molts objectes com elsmotors delsavions o delsvehicles, i fins i tot lespersones, generen i emeten prou calor perquè siguin especialment visibles en la part infraroja de les longituds d'ona en comparació amb la resta d'objectes del voltant.[8]
La radiació IR es divideix, d'acord amb els seus efectes biològics i de manera arbitrària, en tres categories o tipus: la radiació infraroja curta (0,8 a 1,5 µm), la mitjana (1,5 a 5,6 µm) i la llarga (5,6 a 1000 µm). Els primers treballs amb els diferents tipus de radiació d'infrarojos, informaven de les diferents formes de l'acció biològica dels tres tipus de radiació (curta, mitjana i llarga).[9] Es creia que la radiació curta penetrava profundament en lapell sense causar un augment important de la temperatura de la superfície delteixit epitelial, mentre que la majoria de l'energia de la radiació infraroja mitjana i llarga era absorbida per la capa superior de la pell i sovint causava efectes tèrmics perjudicials, com ara cremades o sensació de cremor. Però alguns anys més tard, es va presentar una nova visió de l'infraroig mitjà i llarg demostrant que totes les bandes de radiació produeixen efectes biològics de regeneració cel·lular.[10][11][12]
Estudisin vitro amb radiació infraroja curta sobre lescèl·luleshumanes,endotelials iqueratinòcits, han demostrat un augment de la producció de TGF-β1 (factor de creixement transformant-β1) després d'una única irradiació (36-108J/cm²) i de manera depenent del temps per al contingut de MMP-2 (metal·loproteïnases de matriu-2), sent aquest últim tant a nivell proteic com transcripcional. Aquestes duesproteïnes estan implicades en la fase de remodelació de la reparació de les lesions. I aquests efectes van ser considerats de naturalesa atèrmica perquè els models utilitzats com a control tèrmic no van mostrar un augment en la seva expressió proteica.[1]
Els experiments amb ratolinsdiabètics han demostrat una acceleració de la velocitat de tancament d'una ferida amb tractaments diaris de radiació infraroja curta, en comparació amb els grups de control, amb un augment de la temperatura d'aproximadament 3,6°C després de 30minuts d'exposició.[1]
La utilització deLEDs (díodes emissors de llum) de llum infraroja curta va demostrar la reversió dels efectes de latetradotoxina (TTX), un bloquejador dels canals de sodi de lescèl·lules i, per tant, un bloquejador de l'impuls nerviós, així com la reducció dels danys a laretina causats per l'exposició almetanol en els ratolins.[13][14]
Els experiments amb la radiació infraroja llarga han demostrar una inhibició del creixementtumoral en els ratolins i una millora de la crosta de les ferides.[15] També s'ha demostrat un increment del procés de regeneració en els ratolins sense augment de la circulació sanguínia durant els períodes d'irradiació ni augment en la temperatura de l'epiteli. Altres dades indiquen un augment de la infiltració defibroblasts en el teixit subcutani en ratolins tractats amb radiació infraroja llarga, en comparació amb els animals de control, i una major regeneració delcol·lagen a la regió lesionada, així com l'expressió de TGF-β1. De la mateixa manera, la radiació IR fou capaç de provocar un augment de l'angiogènesi en el lloc de la lesió i augmentar la resistència a la tracció de l'epiteli en regeneració.[16][17][18]
Elslàsers de baixa potència, amb unalongitud d'ona compresa entre 630 i 890 nm, com els d'heli-neó iargó han demostrat,in vivo, l'activació d'una àmplia gamma de processos de guarició de ferides, com ara la síntesi del col·lagen, la proliferació cel·lular[19] o la motilitat dels queratinòcits.[20]
Encara que existeixen diferències entre les fonts de radiació infraroja, el làser és un feixcoherent de llum d'una longitud d'ona específica mentre que les làmpades proporcionen una llum incoherent i nopolaritzada, els seus efectes bioestimulatoris són els mateixos en el cas de la radiació infraroja curta.[1] Contràriament a la idea inicial que la radiació infraroja llarga té efectes nocius, actualment es creu que la seva forma d'acció bioestimulatòria és similar a la dels làsers de baixa potència i a la radiació infraroja curta.[21]
Els experiments amb LEDs infrarojos, que funcionen gairebé sense generarcalor, porten a creure que més enllà de l'efecte de regeneració causat per la calor hi ha un efecte bioestimulatori regeneratiu de naturalesa no tèrmica. No obstant això, aquest procés encara no és ben conegut.[22]
↑1,01,11,21,3Danno, K; Mori, N; Toda, K-I; Kobayashi, T; Utani, A «Near-infrared irradiation stimulates cutaneous wound repair: laboratory experiments on possible mechanisms». Photodermatol Photoimmunol Photomed, 17, 6, 2001, pàg. 261-5.DOI:10.1034/j.1600-0781.2001.170603.x.PMID:11722751.
↑Henderson, Roy. «Wavelength Considerations». Instituts für Umform- und Hochleistungs. Arxivat de l'original el 2007-10-28. [Consulta: 18 octubre 2007].
↑Byrnes, James.Unexploded Ordnance Detection and Mitigation. Springer, 2009, p. 21–22.ISBN 9781402092527.
↑«IR Astronomy: Overview». NASA Infrared Astronomy and Processing Center. Arxivat de l'original el 2016-12-25. [Consulta: 2 desembre 2009].
↑Mahulikar, SP; Sonawane, HR; Rao, GA «Infrared signature studies of aerospace vehicles». Infrared signature studies of aerospace vehicle. Progress in Aerospace Sciences, 43, 7-8, 2007, pàg. 218-245.DOI:10.1016/j.paerosci.2007.06.002.
↑J. Dover, T. Phillips, K. Arndt «Cutaneous effects and therapeutic uses of heat with emphasis on infrared radiation». Journal of the American Academy of Dermatology, 20, 2, 1989, pàg. 278-286.DOI:10.1016/s0190-9622(89)70034-7.PMID:2644317.
↑Honda, K; Inoue, S «Sleeping effects of far-infrared in rats». Int. J. Biometeorol., 32, 2, 1988, pàg. 92-94.
↑Inoue, S; Kabaya, M «Biological activities caused by far-infrared radiation». Int. J. Biometeorol., 33, 3, 1989, pàg. 145-150.DOI:10.1007/BF01084598.PMID:2689357.
↑Udagawa, Y; Nagasawa, H «Effects of far-infrared Ray on reproduction, growth, behaviour and some physiological parameters in mice». In Vivo [Atenes], 14, 2, 2000, pàg. 321-6.
↑Wong-Riley, MT; Bai, X; Buchmann, E; Whelan, HT «Light-emitting diode treatment reverses the effect of TTX on cytochrome oxidase in neurons». Neuroreport, 12, 14, 2001, pàg. 3033-7.DOI:10.1097/00001756-200110080-00011.PMID:11568632.
↑Nagasawa Y, Udagawa Y, Kiyokawa S «Evidence that irradiation of far-infrared rays inhibits mammary tumour growth in SHN mice». Anticancer Res, 19, 3A, 1999, pàg. 1797–800.PMID:10470118.
↑Schindl, A; Schindl, M; Schindl, L «Successful treatment of a persistent radiation ulcer by low power laser therapy». J Am Acad Dermatol, 37, 4, 1997, pàg. 646-8.DOI:10.1016/s0190-9622(97)70187-7.PMID:9344208.
↑Schindl, A; Schindl, M; Schindl, L, et al. «Increased dermal angiogenesis after low-intensity laser therapy for a chronic radiation ulcer determined by a vídeo measuring system». J Am Acad Dermatol, 40, 3, 1999, pàg. 481-4.DOI:10.1016/s0190-9622(99)70503-7.PMID:10071324.
↑Beauvoit, B; Kitai, T; Chance, B «Contribution of the mitochondrial compartment to the optical properties of the rat liver: a theoretical and practical approach». Biophys J, 67, 6, 1994, pàg. 2501-2510.DOI:10.1016/S0006-3495(94)80740-4.PMC:1225636.PMID:7696489.
