Vätskedroppar är naturliga förstorare. Titta in i en enda droppe vatten, och du kommer sannolikt att se en reflektion av världen omkring dig, närbild och utspänd som du skulle se i en kristallkula.

Forskare vid MIT har nu tagit fram små "mikrolenser" från komplexa vätskedroppar som är jämförbara i storlek med bredden på ett mänskligt hårstrå. De rapporterar förskottet denna vecka i journalen Naturkommunikation .

Varje droppe består av en emulsion, eller kombination av två vätskor, den ena inkapslad i den andra, liknar en pärla olja i en droppe vatten. Även i sin enkla form, dessa droppar kan förstora och producera bilder av omgivande föremål. Men nu kan forskarna också konfigurera om egenskaperna för varje droppe för att justera hur de filtrerar och sprider ljus, liknar att justera fokus på ett mikroskop.

Forskarna använde en kombination av kemi och ljus för att exakt forma krökningen av gränssnittet mellan den inre pärlan och den omgivande droppen. Detta gränssnitt fungerar som en slags intern lins, jämförbar med de sammansatta linselementen i mikroskop.

"Vi har visat att vätskor är mycket mångsidiga optiskt, säger Mathias Kolle, britten och Alex d'Arbeloff Karriärutveckling biträdande professor vid MIT:s avdelning för maskinteknik. "Vi kan skapa komplexa geometrier som bildar linser, och dessa linser kan ställas in optiskt. När du har en avstämbar mikrolins, du kan hitta på alla möjliga applikationer."

Till exempel, Kolle säger:avstämbara mikrolinser kan användas som flytande pixlar i en tredimensionell skärm, rikta ljus till exakt bestämda vinklar och projicera bilder som förändras beroende på vinkeln från vilken de observeras. Han föreställer sig också mikroskop i fickstorlek som kan ta ett blodprov och föra det över en rad små droppar. Dropparna skulle fånga bilder från olika perspektiv som skulle kunna användas för att återställa en tredimensionell bild av enskilda blodkroppar.

"Vi hoppas att vi kan använda avbildningskapaciteten hos linser i mikroskalan i kombination med de dynamiskt justerbara optiska egenskaperna hos komplexa vätskebaserade mikrolinser för att göra avbildning på ett sätt som folk inte har gjort ännu, säger Kolle.

Kolles MIT-medförfattare är doktorand och huvudförfattare Sara Nagelberg, tidigare postdoc Lauren Zarzar, junior Natalie Nicolas, tidigare postdoc Julia Kalow, forskningsfilial Vishnu Sresht, professor i kemiteknik Daniel Blankschtein, professor i maskinteknik George Barbastathis, och John D. MacArthur professor i kemi Timothy Swager. Moritz Kreysing och Kaushikaram Subramanian från Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics är också medförfattare.

Forma en kurva

Gruppens arbete bygger på forskning från Swagers team, som under 2015 rapporterade om ett nytt sätt att göra och omkonfigurera komplexa emulsioner. Särskilt, teamet utvecklade en enkel teknik för att göra och kontrollera storleken och konfigurationen av dubbla emulsioner, såsom vatten som suspenderats i olja, suspenderas sedan igen i vatten. Kolle och hans kollegor använde samma teknik för att tillverka sina flytande linser.

De valde först två genomskinliga vätskor, en med ett högre brytningsindex (en egenskap som relaterar till den hastighet med vilken ljus färdas genom ett medium), och den andra med ett lägre brytningsindex. Kontrasten mellan de två brytningsindexen kan bidra till en droppes fokuseringsförmåga. Forskarna hällde vätskorna i en flaska, värmde dem till en temperatur vid vilken vätskorna skulle blandas, sedan tillsattes en vatten-tensidlösning. När vätskorna blandades snabbt, små emulsionsdroppar bildades. När blandningen svalnade, vätskorna i var och en av dropparna separerade, vilket resulterar i droppar i dropparna.

För att manipulera dropparnas optiska egenskaper, forskarna lade till vissa koncentrationer och förhållanden av olika ytaktiva ämnen – kemiska föreningar som sänker gränsytspänningen mellan två vätskor. I detta fall, ett av de ytaktiva ämnena som teamet valde var en ljuskänslig molekyl. När den utsätts för ultraviolett ljus ändrar denna molekyl sin form, som modifierar spänningen vid dropp-vatten-gränssnitten och droppens fokuseringsförmåga. Denna effekt kan vändas genom exponering för blått ljus.

"Vi kan ändra brännvidd, till exempel, och vi kan bestämma var en bild hämtas ifrån, eller där en laserstråle fokuserar på, Kolle säger. När det gäller ljusstyrning, fortplantning, och anpassning av ljusflöde, det är verkligen ett bra verktyg."

Optik vid horisonten

Kolle och hans kollegor testade mikrolinsernas egenskaper genom ett antal experiment, inklusive en där de hällde droppar i en grund tallrik, placerad under en stencil, eller "fotomask, " med en utskärning av en smiley. När de tände en UV-lampa, ljuset filtrerades genom hålen i fotomasken, aktiverar de ytaktiva ämnena i dropparna under. De där dropparna, i tur och ordning, bytt från originalet, platt gränssnitt, till en mer böjd, som starkt spred ljuset, därigenom skapas ett mörkt mönster i plattan som liknade fotomaskens smiley face.

Forskarna beskriver också sin idé om hur mikrolinserna kan användas som mikroskop i fickstorlek. De föreslår att man bildar en mikrofluidisk enhet med ett lager av mikrolinser, som var och en kan fånga en bild av ett litet föremål som rinner förbi, såsom en blodkropp. Varje bild skulle fångas från ett annat perspektiv, i slutändan möjliggör återvinning av information om objektets tredimensionella form.

"Hela systemet kan vara storleken på din telefon eller plånbok, " Säger Kolle. "Om du lägger lite elektronik runt den, du har ett mikroskop där du kan flöda blodkroppar eller andra celler genom och visualisera dem i 3D."

Han tänker sig också skärmar, lager med mikrolinser, som är utformade för att bryta ljus i specifika riktningar.

"Kan vi projicera information till en del av en publik och annan information till en annan del av publiken på en stadion?" säger Kolle. "Den här typen av optik är utmanande, men möjligt."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.