Nanoestruturas e padrões naturais há muito tempo fascinam pesquisadores em engenharia de materiais bioinspirados. Amostras biológicas podem ser visualizadas e observadas em nanoescala usando ferramentas analíticas sofisticadas em ciência dos materiais, incluindo microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Embora os métodos de imagem contribuam para a compreensão das estruturas, revelando as propriedades dos materiais para a síntese de materiais biomiméticos, frequentemente o fazem com a perda de propriedades fotônicas inerentes aos materiais.

Em um novo método, os cientistas de materiais Boliang Jia e colegas dos departamentos de engenharia mecânica e robótica apresentaram superlentes biocompatíveis para impressão colocadas diretamente em objetos de interesse para observar características limitadas por subdifração (resolução além do limite de difração). Eles então viram as características naturais usando um microscópio óptico para demonstrar imagens em nanoescala de asas de borboletas coloridas. O estudo permitiu imagens de super-resolução e um campo de visão maior (FOV) em comparação com os sistemas ópticos de super-resolução baseados em microesferas dielétricas anteriores.

A nova abordagem criou um caminho rápido e flexível para observar as cores diretas dos recursos biológicos em nanoescala na faixa visível. Os resultados agora são publicados em Microsistemas e Nanoengenharia , onde o trabalho permitiu medições ópticas na escala limitada de subdifração. Uma superlente é baseada em um material óptico com um índice de refração negativo (metamateriais ópticos) que pode reverter experimentalmente quase todos os fenômenos ópticos conhecidos. Tecnicamente, um filme fino de índice negativo pode funcionar como uma 'superlente' para fornecer detalhes de imagem com uma resolução além do limite de difração ao qual todas as lentes de índice positivo estão sujeitas.

No estudo, Jia et al. desenvolveu um método para imprimir glicerol (líquido transparente) nas asas de borboletas e observar estruturas de asas em nanoescala até então não observadas por meio de microscópios ópticos convencionais. O trabalho abrirá o caminho para superlentes líquidas avançadas, combinadas com métodos óticos rápidos e flexíveis. Os resultados irão auxiliar na inspeção nanoestrutural via biofotônica em amostras biológicas e não biológicas.

As asas da borboleta de Morpho cypris foram observadas pela primeira vez por meio de SEM de alta resolução em 1942, o que levou à descoberta de estruturas detalhadas abaixo do limite de difração usando ferramentas sofisticadas. Desde então, As borboletas Morpho têm sido objeto de interesse na pesquisa de materiais bioinspirados devido à sua cor iridescente e propriedades fotônicas distintas. Por décadas, as propriedades de interferência da luz resultantes de suas nanoestruturas brilhantes têm atraído grande interesse na pesquisa de nanofotônicos e materiais biomiméticos. Contudo, observações ópticas diretas da estrutura limitada por subdifração das asas em nanoescala ainda precisam ser relatadas.

Microesferas de alto índice de refração em meio aquoso têm atraído grande interesse nos últimos anos para a observação de amostras biológicas imersas em líquido, como células biológicas in vivo. Ainda, o método não é favorável para amostras com alto índice de refração em condições secas. No presente trabalho, Jia et al. apresentou uma superlente de glicerol (SL) biocompatível impressa in situ com maior resolução e maior FOV do que microesferas de vidro de titanato de bário (BTG) sob condições secas. Os cientistas escolheram o glicerol por ser um líquido transparente com índice de refração relativamente alto, capaz de formar gotículas imprimíveis em uma ampla faixa de tamanhos.

Como um recurso importante, o glicerol contém fortes interações inter-moleculares e, portanto, é altamente resistente à evaporação. Embora as microgotículas de água normalmente evaporem quase que instantaneamente, por comparação, glicerol impresso como gotículas com um volume de 50 por cento poderia existir pelo menos por um dia em substratos sem mudanças significativas de tamanho. Jia et al. portanto, superlentes de glicerol impressas diretamente em uma asa de borboleta Morpho usando uma máquina de impressão a jato de tinta. Depois disso, eles caracterizaram as imagens de glicerol usando um circuito integrado (IC) de unidade de processamento central (CPU). Os cientistas observaram nanobiostruturas que variam de 50 nm a 200 nm em escala. No trabalho, os cientistas ajustaram a viscosidade da solução de glicerol por meio de testes de diluição com água MiliQ para selecionar uma concentração ideal de 50 por cento em volume (50 por cento em volume) para impressão.

Na ótica, Lentes de imersão sólida (SILs) podem melhorar a resolução óptica aumentando a abertura numérica efetiva (NA) do meio de imagem. A lente de gota é considerada uma versão líquida dos SILs com uma superfície impecável. Os cientistas primeiro caracterizaram as superlentes de glicerol impressas no estudo usando um número diferente de gotas por lente em um wafer de silício limpo antes da administração em asas de borboleta. Eles selecionaram o número ideal de gotas por lente após algumas tentativas; os diâmetros resultantes das lentes de glicerol eram comparáveis ​​às microesferas BTG. Depois disso, eles compararam as configurações da configuração experimental para as microesferas BTG e as superlentes de glicerol. O trabalho mostrou que grandes microesferas BTG forneceram um grande FOV, enquanto uma resolução mais alta foi obtida com microesferas BTG menores.

Quando os cientistas compararam as imagens obtidas com superlentes de glicerol e as obtidas com BTG, os resultados melhoraram significativamente em uniformidade para imagens obtidas usando superlentes de glicerol, ao lado de recursos nanoescala mais nítidos. Isso implicava que as superlentes de glicerol impressas ofereciam capacidade de resolução superior em comparação com as microesferas BTG de tamanhos iguais e menores no ar.

Em seu trabalho, Jia et al. observaram dois tipos de borboletas:Morpho Menelaus e Agrias beatifica beata. Os cientistas imprimiram 60 gotas de glicerol (ou lentes) nas amostras de borboletas para obter lentes esféricas de aproximadamente 95 µm de diâmetro. Eles observaram as características em escala de asas por meio de um sistema de microscópio vertical. Os cientistas foram capazes de capturar as escamas das asas ventrais das borboletas, onde a espécie Morpho exibiu dois tipos de escamas de asas; escalas de solo e cobertura.

Em comparação com SEM, as superlentes de glicerol não foram capazes de resolver estruturas completas inteiramente, mas mostraram a existência de subestruturas entre as cristas das asas das borboletas. Por exemplo, Jia et al. mostraram que as superlentes de glicerol in situ poderiam estender o limite para estruturas em nanoescala em amostras biológicas para aproximadamente 200 nm de largura. Experimentos adicionais mostraram a capacidade de nanobiostruturas limitadas por subdifração de imagem colorida usando as superlentes.

O novo método oferece uma boa relação custo-benefício, técnica de imagem rápida e de alta resolução para visualizar nanobiostruturas limitadas por subdifração in situ. O trabalho abre caminho para que líquidos imiscíveis em água com altos índices de refração imprimam superlentes líquidas para aplicações de imagem baseadas em imersão em água. Líquidos biocompatíveis, como óleo de silicone, podem ser explorados como superlentes embaixo d'água por meio de impressão a jato de tinta de baixo custo. Os cientistas de materiais continuam a trabalhar na engenharia de superlentes líquidas avançadas em nanobiofotônicos. O esquema introduzido por Jia et al. fornece uma estratégia rápida e fácil de implementar para observar nanobiostruturas em amostras biológicas e não biológicas.

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