Nanostructuren en natuurlijke patronen hebben onderzoekers in bio-geïnspireerde materiaaltechnologie al lang gefascineerd. Biologische monsters kunnen op nanoschaal worden afgebeeld en geobserveerd met behulp van geavanceerde analytische hulpmiddelen in de materiaalkunde, waaronder scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Hoewel beeldvormingsmethoden bijdragen aan het begrip van structuren door materiaaleigenschappen voor de synthese van biomimetische materialen te onthullen, ze hebben dit vaak gedaan met het verlies van fotonische eigenschappen die inherent zijn aan de materialen.

Bij een nieuwe methode materiaalwetenschappers Boliang Jia en collega's van de afdelingen werktuigbouwkunde en robotica presenteerden een afdrukbare biocompatibele superlens die direct op interessante objecten werd geplaatst om subdiffractie-beperkte kenmerken te observeren (resolutie voorbij de diffractielimiet). Vervolgens bekeken ze de natuurlijke kenmerken met behulp van een optische microscoop om beeldvorming op nanoschaal van vlindervleugels in kleur te demonstreren. De studie maakte superresolutiebeeldvorming en een groter gezichtsveld (FOV) mogelijk in vergelijking met de eerdere op diëlektrische microbolletjes gebaseerde optische systemen van superresolutiemicroscopie.

De nieuwe aanpak creëerde een snel en flexibel pad om de directe kleuren van biologische kenmerken op nanoschaal in het zichtbare bereik te observeren. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Microsystemen en nano-engineering , waar het werk optische metingen mogelijk maakte op de subdiffractie-beperkte schaal. Een superlens is gebaseerd op een optisch materiaal met een negatieve brekingsindex (optische metamaterialen) dat bijna alle bekende optische verschijnselen experimenteel zou kunnen omkeren. Technisch gezien, een dunne film met negatieve index kan fungeren als een 'superlens' om beelddetails te verschaffen met een resolutie die de diffractielimiet overschrijdt waaraan alle lenzen met een positieve index worden onderworpen.

In de studie, Jia et al. bedacht een methode om glycerol (transparante vloeistof) op vlindervleugels te printen en vleugelstructuren op nanoschaal te observeren die tot nu toe onopgemerkt waren met conventionele optische microscopen. Het werk zal de weg vrijmaken voor geavanceerde vloeibare superlenzen in combinatie met snelle en flexibele methoden in de optica. De resultaten zullen helpen bij nanostructurele inspectie via biofotonica in biologische en niet-biologische monsters.

De vlindervleugels van Morpho cypris werden voor het eerst waargenomen via SEM met hoge resolutie in 1942, wat leidde tot de ontdekking van gedetailleerde structuren onder de diffractielimiet met behulp van geavanceerde tools. Vanaf dat moment, Morpho-vlinders zijn een onderwerp van interesse geweest in onderzoek naar bio-geïnspireerde materialen vanwege hun iriserende kleur en duidelijke fotonische eigenschappen. Al decenia, de eigenschappen van lichtinterferentie als gevolg van hun briljante nanostructuren hebben grote belangstelling gewekt in onderzoek naar nanofotonica en biomimetische materialen. Echter, directe optische waarnemingen van de subdiffractie-beperkte structuur van de vleugels op nanoschaal moeten nog worden gerapporteerd.

Microsferen met een hoge brekingsindex in waterige media hebben de afgelopen jaren veel belangstelling gewekt voor het in vivo observeren van in vloeistof ondergedompelde biologische monsters zoals biologische cellen. Nog, de methode is niet gunstig voor monsters met een hoge brekingsindex in droge omstandigheden. In het huidige werk, Jia et al. presenteerde een in situ gedrukte biocompatibele glycerol superlens (SL) met een hogere resolutie en grotere FOV dan bariumtitanaatglas (BTG) microsferen onder droge omstandigheden. De wetenschappers kozen voor glycerol omdat het een transparante vloeistof is met een relatief hoge brekingsindex die in staat is tot afdrukbare druppelvorming over een breed groottebereik.

Als een belangrijk kenmerk, glycerol bevat sterke intermoleculaire interacties en is daarom zeer goed bestand tegen verdamping. Hoewel microdruppeltjes water meestal vrijwel onmiddellijk verdampen, ter vergelijking, glycerol gedrukt als druppeltjes met een volume van 50 procent zou minstens een dag op substraten kunnen bestaan ​​​​zonder significante veranderingen in de grootte. Jia et al. daarom direct geprinte glycerol superlenzen op een Morpho vlindervleugel met behulp van een inkjetdrukmachine. Daarna, ze karakteriseerden de glycerolbeelden met behulp van een centrale verwerkingseenheid (CPU)-geïntegreerd circuit (IC). De wetenschappers observeerden nanobiostructuren variërend van 50 nm tot 200 nm in schaal. In productie, de wetenschappers pasten de viscositeit van de glyceroloplossing aan via verdunningstests met MiliQ-water om een ​​optimale concentratie van 50 volumeprocent (50 vol%) voor het printen te selecteren.

op het gebied van optica, vaste immersielenzen (SIL's) kunnen de optische resolutie verbeteren door de effectieve numerieke apertuur (NA) van het beeldmedium te vergroten. De druppellens wordt beschouwd als een vloeibare versie van SIL's met een onberispelijk oppervlak. De wetenschappers karakteriseerden eerst de bedrukte glycerol-superlenzen in het onderzoek met behulp van een ander aantal druppels per lens op een schone siliciumwafel voordat ze op vlindervleugels werden toegediend. Ze selecteerden na enkele proeven het ideale aantal druppels per lens; de resulterende diameters van de glycerollenzen waren vergelijkbaar met BTG-microsferen. Daarna, ze vergeleken configuraties van de experimentele opstelling voor de BTG-microsferen en de glycerol-superlens. Het werk toonde aan dat grote BTG-microsferen een groot gezichtsveld, terwijl een hogere resolutie werd verkregen met kleinere BTG-microsferen.

Toen de wetenschappers de beelden vergeleken die werden verkregen met superlenzen van glycerol en die verkregen met BTG, de resultaten aanzienlijk verbeterd in uniformiteit voor afbeeldingen verkregen met behulp van glycerol superlenzen, naast scherpere kenmerken op nanoschaal. Dit impliceerde dat bedrukte superlenzen van glycerol een superieure resolutiecapaciteit boden in vergelijking met BTG-microsferen van gelijke en kleinere afmetingen in lucht.

In hun werk, Jia et al. waargenomen twee soorten vlinders:Morpho Menelaus en Agrias beatifica beata. De wetenschappers drukten 60 glyceroldruppels (of lenzen) op de vlindermonsters om sferische lenzen te verkrijgen met een diameter van ongeveer 95 µm. Ze observeerden de kenmerken van de vleugelschaal via een rechtopstaand microscoopsysteem. De wetenschappers waren in staat om de ventrale vleugelschubben van de vlinders te vangen, waar de Morpho-soort twee soorten vleugelschubben vertoonde; grond- en dekschalen.

In vergelijking met SEM, glycerol superlenzen waren niet in staat om volledige structuren volledig op te lossen, maar ze toonden het bestaan ​​aan van substructuren tussen de ruggen van vlindervleugels. Bijvoorbeeld, Jia et al. toonde aan dat in situ glycerol superlenzen de limiet voor nanoschaalstructuren in biologische monsters kunnen verlengen tot een breedte van ongeveer 200 nm. Aanvullende experimenten toonden het vermogen aan om subdiffractie-gelimiteerde nanobiostructuren in kleur af te beelden met behulp van de superlenzen.

De nieuwe methode biedt een kosteneffectieve, snelle en hoge resolutie beeldvormingstechniek om subdiffractie-gelimiteerde nanobiostructuren in situ te visualiseren. Het werk maakt de weg vrij voor met water niet mengbare vloeistoffen met hoge brekingsindices om vloeibare superlenzen te printen voor op water gebaseerde beeldvormingstoepassingen. Biocompatibele vloeistoffen zoals siliconenolie kunnen vervolgens worden onderzocht als superlenzen onder water via goedkope inkjetprinten. Materiaalwetenschappers blijven werken aan de ontwikkeling van geavanceerde vloeibare superlenzen in nanobiofotonica. Het schema geïntroduceerd door Jia et al. biedt een snelle en eenvoudig te implementeren strategie om nanobiostructuren in biologische en niet-biologische monsters te observeren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk