Gotículas de líquido são ampliadores naturais. Olhe dentro de uma única gota d'água, e é provável que você veja um reflexo do mundo ao seu redor, close-up e distendido como você veria em uma bola de cristal.

Pesquisadores do MIT desenvolveram agora minúsculas "microlentes" a partir de gotículas líquidas complexas comparáveis ​​em tamanho à largura de um cabelo humano. Eles relatam o avanço desta semana no jornal Nature Communications .

Cada gota consiste em uma emulsão, ou combinação de dois líquidos, um encapsulado no outro, semelhante a uma gota de óleo dentro de uma gota de água. Mesmo em sua forma simples, essas gotas podem aumentar e produzir imagens de objetos ao redor. Mas agora os pesquisadores também podem reconfigurar as propriedades de cada gota para ajustar a forma como elas filtram e espalham a luz, semelhante a ajustar o foco em um microscópio.

Os cientistas usaram uma combinação de química e luz para moldar com precisão a curvatura da interface entre a conta interna e a gota ao redor. Essa interface atua como uma espécie de lente interna, comparável aos elementos de lente compostos em microscópios.

"Mostramos que os fluidos são muito versáteis opticamente, "diz Mathias Kolle, o Brit e Alex d'Arbeloff Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Podemos criar geometrias complexas que formam lentes, e essas lentes podem ser ajustadas opticamente. Quando você tem microlentes sintonizáveis, você pode sonhar com todos os tipos de aplicativos. "

Por exemplo, Kolle diz, microlentes ajustáveis ​​podem ser usadas como pixels líquidos em uma tela tridimensional, direcionar a luz para ângulos precisamente determinados e projetar imagens que mudam dependendo do ângulo a partir do qual são observadas. Ele também visualiza microscópios de bolso que podem pegar uma amostra de sangue e passá-la sobre uma série de pequenas gotas. As gotas capturariam imagens de várias perspectivas que poderiam ser usadas para recuperar uma imagem tridimensional de células sanguíneas individuais.

"Esperamos poder usar a capacidade de imagem das lentes em microescala combinada com as características ópticas dinamicamente ajustáveis ​​de complexas microlentes baseadas em fluido para fazer imagens de uma maneira que as pessoas ainda não fizeram, "Kolle diz.

Os co-autores do MIT de Kolle são estudantes de pós-graduação e autora principal Sara Nagelberg, ex-pós-doutoranda Lauren Zarzar, júnior Natalie Nicolas, ex-pós-doutoranda Julia Kalow, afiliado de pesquisa Vishnu Sresht, professor de engenharia química Daniel Blankschtein, professor de engenharia mecânica George Barbastathis, e John D. MacArthur, Professor de Química, Timothy Swager. Moritz Kreysing e Kaushikaram Subramanian do Instituto Max Planck de Biologia Celular e Molecular e Genética também são co-autores.

Moldando uma curva

O trabalho do grupo baseia-se na pesquisa da equipe de Swager, que em 2015 relatou uma nova maneira de fazer e reconfigurar emulsões complexas. Em particular, a equipe desenvolveu uma técnica simples para fazer e controlar o tamanho e a configuração de emulsões duplas, como água em suspensão no óleo, em seguida, suspenso novamente na água. Kolle e seus colegas usaram as mesmas técnicas para fazer suas lentes líquidas.

Eles primeiro escolheram dois fluidos transparentes, um com um índice de refração mais alto (uma propriedade que se relaciona com a velocidade na qual a luz viaja através de um meio), e o outro com índice de refração inferior. O contraste entre os dois índices de refração pode contribuir para o poder de foco de uma gota. Os pesquisadores colocaram os fluidos em um frasco, aqueceu-os a uma temperatura na qual os fluidos se misturariam, em seguida, adicionou uma solução de surfactante de água. Quando os líquidos foram misturados rapidamente, formaram-se minúsculas gotículas de emulsão. À medida que a mistura esfriava, os fluidos em cada uma das gotículas separados, resultando em gotículas dentro das gotículas.

Para manipular as propriedades ópticas das gotas, os pesquisadores adicionaram certas concentrações e proporções de vários surfactantes - compostos químicos que reduzem a tensão interfacial entre dois líquidos. Nesse caso, um dos surfactantes que a equipe escolheu foi uma molécula sensível à luz. Quando exposta à luz ultravioleta, esta molécula muda de forma, que modifica a tensão nas interfaces gota-água e o poder de foco da gota. Este efeito pode ser revertido pela exposição à luz azul.

"Podemos mudar a distância focal, por exemplo, e podemos decidir de onde uma imagem é obtida, ou onde um feixe de laser se concentra, "Kolle diz." Em termos de orientação de luz, propagação, e adaptação do fluxo de luz, é realmente uma boa ferramenta. "

Óptica no horizonte

Kolle e seus colegas testaram as propriedades das microlentes por meio de uma série de experimentos, incluindo um no qual eles derramaram gotículas em um prato raso, colocado sob um estêncil, ou "fotomáscara, "com um recorte de um rosto sorridente. Quando eles acenderam uma lâmpada ultravioleta, a luz filtrada pelos orifícios da fotomáscara, ativar os surfactantes nas gotículas por baixo. Essas gotas, por sua vez, mudou de seu original, interface plana, para um mais curvo, que espalhava luz fortemente, gerando assim um padrão escuro na placa que lembra o rosto sorridente da fotomáscara.

Os pesquisadores também descrevem sua ideia de como as microlentes podem ser usadas como microscópios de bolso. Eles propõem formar um dispositivo microfluídico com uma camada de microlentes, cada um dos quais poderia capturar a imagem de um minúsculo objeto passando, como uma célula do sangue. Cada imagem seria capturada de uma perspectiva diferente, em última análise, permitindo a recuperação de informações sobre a forma tridimensional do objeto.

"Todo o sistema pode ser do tamanho do seu telefone ou carteira, "Kolle diz." Se você colocar alguns aparelhos eletrônicos ao redor, você tem um microscópio onde pode fluir as células do sangue ou outras células e visualizá-las em 3D. "

Ele também visualiza telas, em camadas com microlentes, que são projetados para refratar a luz em direções específicas.

"Podemos projetar informações para uma parte da multidão e informações diferentes para outra parte da multidão em um estádio?" Kolle diz. "Esses tipos de ótica são desafiadores, mas possível. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.