Forskere laver mikroskoper af dråber

Væskedråber er naturlige forstørrelsesglas. Kig ind i en enkelt dråbe vand, og du vil sandsynligvis se en afspejling af verden omkring dig, tæt på og udspilet, som du ville se i en krystalkugle.

Forskere ved MIT har nu udtænkt bittesmå "mikrolenser" fra komplekse væskedråber, der i størrelse kan sammenlignes med bredden af ​​et menneskehår. De rapporterer fremrykningen i denne uge i journalen Naturkommunikation .

Hver dråbe består af en emulsion, eller kombination af to væsker, den ene indkapslet i den anden, ligner en olieperle i en dråbe vand. Selv i deres simple form, disse dråber kan forstørre og producere billeder af omgivende objekter. Men nu kan forskerne også omkonfigurere egenskaberne for hver dråbe for at justere måden, de filtrerer og spreder lys på, svarende til at justere fokus på et mikroskop.

Forskerne brugte en kombination af kemi og lys til præcist at forme krumningen af ​​grænsefladen mellem den indre perle og den omgivende dråbe. Denne grænseflade fungerer som en slags intern linse, sammenlignelig med de sammensatte linseelementer i mikroskoper.

"Vi har vist, at væsker er meget alsidige optisk, siger Mathias Kolle, briten og Alex d'Arbeloff Karriereudviklingsassistent ved MIT's afdeling for maskinteknik. "Vi kan skabe komplekse geometrier, der danner linser, og disse linser kan indstilles optisk. Når du har en justerbar mikrolinse, du kan finde på alle mulige applikationer."

For eksempel, Kolle siger:afstembare mikrolinser kan bruges som flydende pixels i et tredimensionelt display, at rette lys til præcist bestemte vinkler og projicere billeder, der ændrer sig afhængigt af den vinkel, hvorfra de observeres. Han forestiller sig også mikroskoper i lommestørrelse, der kan tage en blodprøve og føre den hen over en række små dråber. Dråberne ville tage billeder fra forskellige perspektiver, der kunne bruges til at genskabe et tredimensionelt billede af individuelle blodceller.

"Vi håber, at vi kan bruge billeddannelseskapaciteten af ​​linser på mikroskala kombineret med de dynamisk justerbare optiske egenskaber af komplekse væskebaserede mikrolinser til at lave billeddannelse på en måde, som folk ikke har gjort endnu, siger Kolle.

Kolles MIT medforfattere er kandidatstuderende og hovedforfatter Sara Nagelberg, tidligere postdoc Lauren Zarzar, junior Natalie Nicolas, tidligere postdoc Julia Kalow, forskningsassocieret Vishnu Sresht, professor i kemiteknik Daniel Blankschtein, professor i maskinteknik George Barbastathis, og John D. MacArthur professor i kemi Timothy Swager. Moritz Kreysing og Kaushikaram Subramanian fra Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics er også medforfattere.

At forme en kurve

Gruppens arbejde bygger på forskning fra Swagers team, som i 2015 rapporterede om en ny måde at lave og omkonfigurere komplekse emulsioner på. I særdeleshed, holdet udviklede en simpel teknik til at lave og kontrollere størrelsen og konfigurationen af ​​dobbelte emulsioner, såsom vand, der var suspenderet i olie, derefter suspenderet igen i vand. Kolle og hans kolleger brugte de samme teknikker til at lave deres flydende linser.

De valgte først to gennemsigtige væsker, en med et højere brydningsindeks (en egenskab, der er relateret til den hastighed, hvormed lyset bevæger sig gennem et medium), og den anden med et lavere brydningsindeks. Kontrasten mellem de to brydningsindekser kan bidrage til en dråbes fokuseringsevne. Forskerne hældte væskerne i et hætteglas, opvarmede dem til en temperatur, hvor væskerne ville blandes, derefter tilsat en vand-overfladeaktivt middel opløsning. Når væskerne blev blandet hurtigt, der dannes små emulsionsdråber. Efterhånden som blandingen afkøles, væskerne i hver af dråberne adskilt, resulterer i dråber i dråber.

For at manipulere dråbernes optiske egenskaber, forskerne tilføjede visse koncentrationer og forhold mellem forskellige overfladeaktive stoffer - kemiske forbindelser, der sænker grænsefladespændingen mellem to væsker. I dette tilfælde, et af de overfladeaktive stoffer, teamet valgte, var et lysfølsomt molekyle. Når det udsættes for ultraviolet lys, ændrer dette molekyle sin form, som ændrer spændingen ved dråbe-vand-grænsefladerne og dråbens fokuseringsevne. Denne effekt kan vendes ved udsættelse for blåt lys.

"Vi kan ændre brændvidde, for eksempel, og vi kan bestemme, hvor et billede hentes fra, eller hvor en laserstråle fokuserer på, " siger Kolle. "Med hensyn til lysstyring, udbredelse, og skræddersyet lysstrøm, det er virkelig et godt værktøj."

Optik i horisonten

Kolle og hans kolleger testede mikrolinsernes egenskaber gennem en række eksperimenter, inklusive en, hvor de hældte dråber i en lav plade, placeret under en stencil, eller "fotomaske, " med en udskæring af et smiley ansigt. Da de tændte en overhead UV-lampe, lyset filtrerede gennem hullerne i fotomasken, aktivering af de overfladeaktive stoffer i dråberne nedenunder. De dråber, på tur, skiftet fra deres originale, flad grænseflade, til en mere buet, som stærkt spredte lys, derved genereres et mørkt mønster i pladen, der lignede fotomaskens smiley.

Forskerne beskriver også deres idé til, hvordan mikrolinserne kan bruges som mikroskoper i lommestørrelse. De foreslår at danne en mikrofluidisk enhed med et lag af mikrolinser, som hver især kunne fange et billede af en lille genstand, der flyder forbi, såsom en blodcelle. Hvert billede ville blive taget fra et andet perspektiv, i sidste ende muliggør gendannelse af information om objektets tredimensionelle form.

"Hele systemet kan være på størrelse med din telefon eller tegnebog, " siger Kolle. "Hvis du sætter noget elektronik omkring det, du har et mikroskop, hvor du kan strømme blodceller eller andre celler igennem og visualisere dem i 3D."

Han forestiller sig også skærme, lagdelt med mikrolinser, der er designet til at bryde lys i bestemte retninger.

"Kan vi projicere information til én del af en mængde og anden information til en anden del af publikum på et stadion?" siger Kolle. "Denne slags optik er udfordrende, men muligt."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.