Vloeistofdruppels zijn natuurlijke vergrootglazen. Kijk in een enkele druppel water, en je zult waarschijnlijk een weerspiegeling van de wereld om je heen zien, close-up en opgezwollen zoals je zou zien in een kristallen bol.

Onderzoekers van het MIT hebben nu minuscule "microlenzen" bedacht uit complexe vloeistofdruppels die qua grootte vergelijkbaar zijn met de breedte van een mensenhaar. Ze melden het voorschot deze week in het journaal Natuurcommunicatie .

Elke druppel bestaat uit een emulsie, of combinatie van twee vloeistoffen, de ene ingekapseld in de andere, vergelijkbaar met een druppel olie in een druppel water. Zelfs in hun eenvoudige vorm, deze druppeltjes kunnen afbeeldingen van omringende objecten vergroten en produceren. Maar nu kunnen de onderzoekers ook de eigenschappen van elke druppel opnieuw configureren om de manier waarop ze licht filteren en verstrooien aan te passen. vergelijkbaar met het aanpassen van de focus op een microscoop.

De wetenschappers gebruikten een combinatie van chemie en licht om de kromming van het grensvlak tussen de interne kraal en de omringende druppel nauwkeurig te vormen. Deze interface fungeert als een soort interne lens, vergelijkbaar met de samengestelde lenselementen in microscopen.

"We hebben aangetoond dat vloeistoffen optisch zeer veelzijdig zijn, " zegt Mathias Kolle, de Brit en Alex d'Arbeloff Assistent-professor voor loopbaanontwikkeling aan de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. "We kunnen complexe geometrieën creëren die lenzen vormen, en deze lenzen kunnen optisch worden afgestemd. Als je een afstembare microlens hebt, je kunt allerlei toepassingen bedenken."

Bijvoorbeeld, Kolle zegt, afstembare microlenzen kunnen worden gebruikt als vloeibare pixels in een driedimensionaal scherm, licht richten op nauwkeurig bepaalde hoeken en beelden projecteren die veranderen afhankelijk van de hoek van waaruit ze worden waargenomen. Hij stelt zich ook microscopen op zakformaat voor die een bloedmonster kunnen nemen en dit over een reeks kleine druppeltjes kunnen leiden. De druppeltjes zouden beelden vastleggen vanuit verschillende perspectieven die zouden kunnen worden gebruikt om een ​​driedimensionaal beeld van individuele bloedcellen te herstellen.

"We hopen dat we de beeldvormingscapaciteit van lenzen op microschaal kunnen gebruiken in combinatie met de dynamisch instelbare optische kenmerken van complexe op vloeistof gebaseerde microlenzen om beeldvorming te doen op een manier die mensen nog niet hebben gedaan, ' zegt Kol.

Kolle's MIT co-auteurs zijn afgestudeerde student en hoofdauteur Sara Nagelberg, voormalig postdoc Lauren Zarzar, junior Natalie Nicolas, voormalig postdoc Julia Kalow, onderzoeksfiliaal Vishnu Sresht, hoogleraar chemische technologie Daniel Blankschtein, hoogleraar werktuigbouwkunde George Barbastathis, en John D. MacArthur hoogleraar scheikunde Timothy Swager. Moritz Kreysing en Kaushikaram Subramanian van het Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics zijn ook co-auteurs.

Een curve vormgeven

Het werk van de groep bouwt voort op onderzoek door het team van Swager, die in 2015 een nieuwe manier meldde om complexe emulsies te maken en opnieuw te configureren. Vooral, het team ontwikkelde een eenvoudige techniek om de grootte en configuratie van dubbele emulsies te maken en te controleren, zoals water dat in olie was gesuspendeerd, daarna weer in water gesuspendeerd. Kolle en zijn collega's gebruikten dezelfde technieken om hun vloeistoflenzen te maken.

Ze kozen eerst twee transparante vloeistoffen, een met een hogere brekingsindex (een eigenschap die betrekking heeft op de snelheid waarmee licht door een medium reist), en de andere met een lagere brekingsindex. Het contrast tussen de twee brekingsindices kan bijdragen aan het focusvermogen van een druppel. De onderzoekers goten de vloeistoffen in een flesje, verwarmde ze tot een temperatuur waarbij de vloeistoffen zouden mengen, vervolgens een water-surfactant-oplossing toegevoegd. Toen de vloeistoffen snel werden gemengd, kleine emulsiedruppeltjes gevormd. Terwijl het mengsel afkoelde, de vloeistoffen in elk van de druppeltjes gescheiden, waardoor druppeltjes in druppeltjes ontstaan.

Om de optische eigenschappen van de druppels te manipuleren, de onderzoekers voegden bepaalde concentraties en verhoudingen van verschillende oppervlakteactieve stoffen toe - chemische verbindingen die de grensvlakspanning tussen twee vloeistoffen verlagen. In dit geval, een van de oppervlakteactieve stoffen die het team koos, was een lichtgevoelig molecuul. Bij blootstelling aan ultraviolet licht verandert dit molecuul van vorm, die de spanning op de druppel-waterinterfaces en het focusvermogen van de druppel wijzigt. Dit effect kan worden omgekeerd door blootstelling aan blauw licht.

"We kunnen de brandpuntsafstand veranderen, bijvoorbeeld, en we kunnen beslissen waar een afbeelding wordt opgehaald, of waar een laserstraal op focust, " zegt Kolle. "Qua lichtgeleiding, voortplanting, en afstemming van de lichtstroom, het is echt een goed hulpmiddel."

Optica aan de horizon

Kolle en zijn collega's testten de eigenschappen van de microlenzen door middel van een aantal experimenten, waaronder een waarin ze druppeltjes in een ondiep bord goten, onder een sjabloon geplaatst, of "fotomasker, " met een uitsnede van een smiley. Toen ze een overhead UV-lamp aanzetten, het licht gefilterd door de gaten in het fotomasker, het activeren van de oppervlakteactieve stoffen in de druppeltjes eronder. Die druppeltjes, beurtelings, overgestapt van hun oorspronkelijke, platte interface, naar een meer gebogen, die sterk verstrooid licht, waardoor een donker patroon in de plaat ontstond dat leek op het smileygezicht van het fotomasker.

De onderzoekers beschrijven ook hun idee voor hoe de microlenzen kunnen worden gebruikt als microscopen op zakformaat. Ze stellen voor een microfluïdisch apparaat te vormen met een laag microlenzen, die elk een beeld kunnen vastleggen van een klein object dat voorbij stroomt, zoals een bloedcel. Elk beeld zou worden vastgelegd vanuit een ander perspectief, waardoor uiteindelijk informatie over de driedimensionale vorm van het object kan worden hersteld.

"Het hele systeem kan zo groot zijn als je telefoon of portemonnee, " zegt Kolle. "Als je er wat elektronica omheen doet, je hebt een microscoop waar je bloedcellen of andere cellen doorheen kunt laten stromen en ze in 3D kunt visualiseren."

Hij ziet ook schermen, gelaagd met microlenzen, die zijn ontworpen om licht in specifieke richtingen te breken.

"Kunnen we informatie projecteren op een deel van een menigte en andere informatie op een ander deel van de menigte in een stadion?" zegt Kol. "Dit soort optica is een uitdaging, maar mogelijk."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.