Las gotas de líquido son lupas naturales. Mira dentro de una sola gota de agua y es probable que veas un reflejo del mundo que te rodea, de cerca y distendido como verías en una bola de cristal.

Los investigadores del MIT han ideado ahora diminutas "microlentes" a partir de gotitas líquidas complejas de tamaño comparable al ancho de un cabello humano. Informan el avance de esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Cada gota consta de una emulsión, o combinación de dos líquidos, uno encapsulado en el otro, similar a una gota de aceite dentro de una gota de agua. Incluso en su forma simple, estas gotas pueden aumentar y producir imágenes de los objetos circundantes. Pero ahora los investigadores también pueden reconfigurar las propiedades de cada gota para ajustar la forma en que filtran y dispersan la luz. similar a ajustar el enfoque en un microscopio.

Los científicos utilizaron una combinación de química y luz para dar forma con precisión a la curvatura de la interfaz entre el cordón interno y la gota circundante. Esta interfaz actúa como una especie de lente interna, comparable a los elementos de lentes compuestos en microscopios.

"Hemos demostrado que los fluidos son muy versátiles ópticamente, "dice Mathias Kolle, Brit and Alex d'Arbeloff Career Development Assistant Professor en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Podemos crear geometrías complejas que formen lentes, y estas lentes se pueden ajustar ópticamente. Cuando tienes una microlente sintonizable, puedes idear todo tipo de aplicaciones ".

Por ejemplo, Kolle dice:Las microlentes sintonizables pueden usarse como píxeles líquidos en una pantalla tridimensional, dirigiendo la luz a ángulos determinados con precisión y proyectando imágenes que cambian en función del ángulo desde el que se observan. También imagina microscopios de bolsillo que podrían tomar una muestra de sangre y pasarla sobre una serie de pequeñas gotas. Las gotitas capturarían imágenes desde diferentes perspectivas que podrían usarse para recuperar una imagen tridimensional de células sanguíneas individuales.

"Esperamos poder utilizar la capacidad de obtención de imágenes de las lentes en la microescala combinada con las características ópticas ajustables dinámicamente de las microlentes complejas basadas en fluidos para obtener imágenes de una manera que la gente aún no ha hecho". "Dice Kolle.

Los coautores del MIT de Kolle son la estudiante de posgrado y autora principal Sara Nagelberg, ex postdoctorado Lauren Zarzar, junior Natalie Nicolas, ex postdoctorado Julia Kalow, filial de investigación Vishnu Sresht, profesor de ingeniería química Daniel Blankschtein, profesor de ingeniería mecánica George Barbastathis, y el profesor de química John D. MacArthur, Timothy Swager. Moritz Kreysing y Kaushikaram Subramanian del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética también son coautores.

Dar forma a una curva

El trabajo del grupo se basa en la investigación del equipo de Swager, que en 2015 informó una nueva forma de hacer y reconfigurar emulsiones complejas. En particular, el equipo desarrolló una técnica simple para hacer y controlar el tamaño y la configuración de emulsiones dobles, como el agua suspendida en aceite, luego suspendido nuevamente en agua. Kolle y sus colegas utilizaron las mismas técnicas para fabricar sus lentes líquidas.

Primero eligieron dos fluidos transparentes, uno con un índice de refracción más alto (una propiedad que se relaciona con la velocidad a la que la luz viaja a través de un medio), y el otro con un índice de refracción más bajo. El contraste entre los dos índices de refracción puede contribuir al poder de enfoque de una gota. Los investigadores vertieron los fluidos en un vial, los calentó a una temperatura a la que los fluidos se mezclarían, luego se añadió una solución de agua-tensioactivo. Cuando los líquidos se mezclaron rápidamente, se formaron pequeñas gotas de emulsión. A medida que la mezcla se enfrió, los fluidos de cada una de las gotitas se separaron, resultando en gotitas dentro de gotitas.

Para manipular las propiedades ópticas de las gotas, los investigadores agregaron ciertas concentraciones y proporciones de varios tensioactivos, compuestos químicos que reducen la tensión interfacial entre dos líquidos. En este caso, Uno de los tensioactivos que eligió el equipo fue una molécula sensible a la luz. Cuando se expone a la luz ultravioleta, esta molécula cambia de forma, que modifica la tensión en las interfaces gota-agua y el poder de enfoque de la gota. Este efecto se puede revertir mediante la exposición a la luz azul.

"Podemos cambiar la distancia focal, por ejemplo, y podemos decidir de dónde se toma una imagen, o hacia dónde se enfoca un rayo láser, "Kolle dice." En términos de guía de luz, propagación, y adaptación del flujo de luz, es realmente una buena herramienta ".

Óptica en el horizonte

Kolle y sus colegas probaron las propiedades de las microlentes a través de una serie de experimentos, incluyendo uno en el que vertieron gotitas en un plato poco profundo, colocado debajo de una plantilla, o "fotomáscara, "con un recorte de una cara sonriente. Cuando encendían una lámpara ultravioleta del techo, la luz se filtra a través de los orificios de la fotomáscara, activando los tensioactivos en las gotitas de debajo. Esas gotitas Sucesivamente, cambiado de su original, interfaz plana, a uno más curvo, que dispersa fuertemente la luz, generando así un patrón oscuro en la placa que se asemejaba a la cara sonriente de la fotomáscara.

Los investigadores también describen su idea de cómo las microlentes podrían usarse como microscopios de bolsillo. Proponen formar un dispositivo microfluídico con una capa de microlentes, cada uno de los cuales podría capturar una imagen de un objeto diminuto que pasa por delante, como una célula sanguínea. Cada imagen se capturaría desde una perspectiva diferente, permitiendo en última instancia la recuperación de información sobre la forma tridimensional del objeto.

"Todo el sistema podría tener el tamaño de su teléfono o billetera, "Kolle dice." Si le colocas algunos dispositivos electrónicos, tienes un microscopio donde puedes hacer pasar las células sanguíneas u otras células y visualizarlas en 3-D ".

También imagina pantallas, en capas con microlentes, que están diseñados para refractar la luz en direcciones específicas.

"¿Podemos proyectar información a una parte de la multitud y diferente información a otra parte de la multitud en un estadio?" Kolle dice. "Este tipo de ópticas son un desafío, pero posible ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.