Le goccioline liquide sono ingranditori naturali. Guarda dentro una singola goccia d'acqua, e probabilmente vedrai un riflesso del mondo intorno a te, da vicino e disteso come vedresti in una sfera di cristallo.

I ricercatori del MIT hanno ora ideato minuscole "microlenti" da complesse goccioline liquide di dimensioni paragonabili alla larghezza di un capello umano. Riportano l'anticipo di questa settimana sul giornale Comunicazioni sulla natura .

Ogni goccia è costituita da un'emulsione, o combinazione di due liquidi, uno incapsulato nell'altro, simile a una goccia d'olio all'interno di una goccia d'acqua. Anche nella loro forma semplice, queste goccioline possono ingrandire e produrre immagini di oggetti circostanti. Ma ora i ricercatori possono anche riconfigurare le proprietà di ogni gocciolina per regolare il modo in cui filtrano e diffondono la luce, simile alla regolazione della messa a fuoco su un microscopio.

Gli scienziati hanno utilizzato una combinazione di chimica e luce per modellare con precisione la curvatura dell'interfaccia tra il tallone interno e la gocciolina circostante. Questa interfaccia agisce come una sorta di lente interna, paragonabile agli elementi della lente composta nei microscopi.

"Abbiamo dimostrato che i fluidi sono otticamente molto versatili, "dice Mathias Kolle, il britannico e Alex d'Arbeloff assistente allo sviluppo della carriera professore nel dipartimento di ingegneria meccanica del MIT. "Possiamo creare geometrie complesse che formano lenti, e queste lenti possono essere sintonizzate otticamente. Quando si dispone di un microobiettivo sintonizzabile, puoi inventare tutti i tipi di applicazioni."

Ad esempio, Kolle dice, microlenti sintonizzabili potrebbero essere utilizzate come pixel liquidi in un display tridimensionale, dirigere la luce ad angoli precisamente determinati e proiettare immagini che cambiano a seconda dell'angolo da cui vengono osservate. Immagina anche microscopi tascabili che potrebbero prelevare un campione di sangue e passarlo su una serie di minuscole goccioline. Le goccioline catturerebbero immagini da diverse prospettive che potrebbero essere utilizzate per recuperare un'immagine tridimensionale delle singole cellule del sangue.

"Speriamo di poter utilizzare la capacità di imaging degli obiettivi su microscala combinata con le caratteristiche ottiche regolabili dinamicamente di complesse microlenti a base di fluido per eseguire l'imaging in un modo che le persone non hanno ancora fatto, " dice Kolle.

I coautori del MIT di Kolle sono la studentessa laureata e l'autrice principale Sara Nagelberg, l'ex postdoc Lauren Zarzar, giovane Natalie Nicolas, l'ex postdoc Julia Kalow, affiliato di ricerca Vishnu Sresht, professore di ingegneria chimica Daniel Blankschtein, professore di ingegneria meccanica George Barbastathis, e John D. MacArthur Professore di Chimica Timothy Swager. Moritz Kreysing e Kaushikaram Subramanian del Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics sono anche coautori.

Modellare una curva

Il lavoro del gruppo si basa sulla ricerca del team di Swager, che nel 2015 ha segnalato un nuovo modo di realizzare e riconfigurare emulsioni complesse. In particolare, il team ha sviluppato una tecnica semplice per realizzare e controllare la dimensione e la configurazione delle doppie emulsioni, come l'acqua sospesa nell'olio, poi di nuovo sospeso in acqua. Kolle e i suoi colleghi hanno usato le stesse tecniche per realizzare le loro lenti liquide.

Scelsero prima due fluidi trasparenti, uno con un indice di rifrazione più alto (una proprietà che si riferisce alla velocità con cui la luce viaggia attraverso un mezzo), e l'altro con un indice di rifrazione più basso. Il contrasto tra i due indici di rifrazione può contribuire al potere di messa a fuoco di una goccia. I ricercatori hanno versato i fluidi in una fiala, li ha riscaldati a una temperatura alla quale i fluidi si sarebbero mescolati, poi aggiunto una soluzione di acqua-tensioattivo. Quando i liquidi sono stati mescolati rapidamente, si sono formate minuscole goccioline di emulsione. Quando la miscela si è raffreddata, i fluidi in ciascuna delle goccioline si sono separati, con conseguente goccioline all'interno di goccioline.

Per manipolare le proprietà ottiche delle goccioline, i ricercatori hanno aggiunto determinate concentrazioni e rapporti di vari tensioattivi, composti chimici che abbassano la tensione interfacciale tra due liquidi. In questo caso, uno dei tensioattivi scelti dal team era una molecola sensibile alla luce. Quando esposta alla luce ultravioletta questa molecola cambia forma, che modifica la tensione alle interfacce goccia-acqua e il potere di focalizzazione della goccia. Questo effetto può essere invertito dall'esposizione alla luce blu.

"Possiamo cambiare la lunghezza focale, Per esempio, e possiamo decidere da dove viene prelevata un'immagine, o dove si concentra un raggio laser, " dice Kolle. "In termini di guida della luce, propagazione, e sartorialità del flusso di luce, è davvero un ottimo strumento."

Ottica all'orizzonte

Kolle e i suoi colleghi hanno testato le proprietà delle microlenti attraverso una serie di esperimenti, compreso uno in cui hanno versato goccioline in un piatto poco profondo, posto sotto uno stencil, o "fotomaschera, " con un ritaglio di una faccina sorridente. Quando hanno acceso una lampada UV sopra la testa, la luce filtrata dai fori della fotomaschera, attivando i tensioattivi nelle goccioline sottostanti. Quelle goccioline, a sua volta, cambiato dal loro originale, interfaccia piatta, a uno più curvo, che fortemente disperdeva la luce, generando così un motivo scuro nella lastra che assomigliava alla faccina sorridente della fotomaschera.

I ricercatori descrivono anche la loro idea su come le microlenti potrebbero essere utilizzate come microscopi tascabili. Propongono di formare un dispositivo microfluidico con uno strato di microlenti, ognuno dei quali potrebbe catturare l'immagine di un minuscolo oggetto che scorre oltre, come una cellula del sangue. Ogni immagine verrebbe catturata da una prospettiva diversa, consentendo infine il recupero di informazioni sulla forma tridimensionale dell'oggetto.

"L'intero sistema potrebbe avere le dimensioni del telefono o del portafoglio, " dice Kolle. "Se ci metti un po' di elettronica intorno, hai un microscopio in cui puoi far scorrere le cellule del sangue o altre cellule e visualizzarle in 3-D."

Immagina anche schermi, stratificato con microlenti, progettati per rifrangere la luce in direzioni specifiche.

"Possiamo proiettare informazioni su una parte della folla e informazioni diverse su un'altra parte della folla in uno stadio?" dice Kolle. "Questo tipo di ottica è impegnativo, ma possibile".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.