Les gouttelettes liquides sont des loupes naturelles. Regardez à l'intérieur d'une seule goutte d'eau, et vous êtes susceptible de voir un reflet du monde qui vous entoure, gros plan et distendu comme vous le verriez dans une boule de cristal.

Les chercheurs du MIT ont maintenant conçu de minuscules « microlentilles » à partir de gouttelettes liquides complexes dont la taille est comparable à la largeur d'un cheveu humain. Ils rapportent l'avance cette semaine dans le journal Communication Nature .

Chaque goutte est constituée d'une émulsion, ou combinaison de deux liquides, l'un encapsulé dans l'autre, semblable à une perle d'huile dans une goutte d'eau. Même sous leur forme simple, ces gouttelettes peuvent grossir et produire des images des objets environnants. Mais maintenant, les chercheurs peuvent également reconfigurer les propriétés de chaque gouttelette pour ajuster la façon dont elles filtrent et diffusent la lumière, similaire au réglage de la mise au point sur un microscope.

Les scientifiques ont utilisé une combinaison de chimie et de lumière pour façonner avec précision la courbure de l'interface entre la perle interne et la gouttelette environnante. Cette interface agit comme une sorte de lentille interne, comparable aux lentilles composées des microscopes.

"Nous avons montré que les fluides sont très polyvalents optiquement, " dit Mathias Kolle, le professeur assistant en développement de carrière Brit et Alex d'Arbeloff au département de génie mécanique du MIT. "Nous pouvons créer des géométries complexes qui forment des lentilles, et ces lentilles peuvent être réglées optiquement. Lorsque vous avez une microlentille accordable, vous pouvez imaginer toutes sortes d'applications."

Par exemple, Kolle dit, des microlentilles accordables pourraient être utilisées comme pixels liquides dans un affichage tridimensionnel, diriger la lumière vers des angles déterminés avec précision et projeter des images qui changent en fonction de l'angle sous lequel elles sont observées. Il envisage également des microscopes de poche qui pourraient prélever un échantillon de sang et le faire passer sur un ensemble de minuscules gouttelettes. Les gouttelettes captureraient des images sous différentes perspectives qui pourraient être utilisées pour récupérer une image tridimensionnelle de cellules sanguines individuelles.

"Nous espérons que nous pourrons utiliser la capacité d'imagerie des lentilles à l'échelle microscopique combinée aux caractéristiques optiques réglables dynamiquement des microlentilles complexes à base de fluide pour faire de l'imagerie d'une manière que les gens n'ont pas encore faite, " dit Kolle.

Les co-auteurs de Kolle au MIT sont l'étudiante diplômée et auteur principal Sara Nagelberg, ancienne postdoctorante Lauren Zarzar, Natalie Nicolas junior, ancienne postdoctorante Julia Kalow, affilié de recherche Vishnu Sresht, professeur de génie chimique Daniel Blankschtein, professeur de génie mécanique George Barbastathis, et le professeur de chimie John D. MacArthur Timothy Swager. Moritz Kreysing et Kaushikaram Subramanian du Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics sont également co-auteurs.

Façonner une courbe

Le travail du groupe s'appuie sur les recherches de l'équipe de Swager, qui en 2015 a signalé une nouvelle façon de fabriquer et de reconfigurer des émulsions complexes. En particulier, l'équipe a développé une technique simple pour fabriquer et contrôler la taille et la configuration des émulsions doubles, comme l'eau qui était en suspension dans l'huile, puis remis en suspension dans l'eau. Kolle et ses collègues ont utilisé les mêmes techniques pour fabriquer leurs lentilles liquides.

Ils ont d'abord choisi deux fluides transparents, un avec un indice de réfraction plus élevé (une propriété qui se rapporte à la vitesse à laquelle la lumière traverse un milieu), et l'autre avec un indice de réfraction inférieur. Le contraste entre les deux indices de réfraction peut contribuer au pouvoir de focalisation d'une gouttelette. Les chercheurs ont versé les fluides dans un flacon, les a chauffés à une température à laquelle les fluides se mélangeraient, puis ajouté une solution eau-tensioactif. Lorsque les liquides ont été mélangés rapidement, de minuscules gouttelettes d'émulsion se sont formées. Au fur et à mesure que le mélange refroidissait, les fluides dans chacune des gouttelettes se séparent, résultant en gouttelettes dans les gouttelettes.

Pour manipuler les propriétés optiques des gouttelettes, les chercheurs ont ajouté certaines concentrations et certains ratios de divers tensioactifs, des composés chimiques qui abaissent la tension interfaciale entre deux liquides. Dans ce cas, l'un des tensioactifs choisis par l'équipe était une molécule photosensible. Lorsqu'elle est exposée à la lumière ultraviolette, cette molécule change de forme, ce qui modifie la tension aux interfaces goutte-eau et le pouvoir de focalisation de la goutte. Cet effet peut être inversé par l'exposition à la lumière bleue.

"On peut changer de focale, par exemple, et nous pouvons décider d'où une image est prise, ou vers lequel un faisceau laser se concentre, " dit Kolle. " En termes de guidage de la lumière, propagation, et l'adaptation du flux lumineux, c'est vraiment un bon outil."

L'optique à l'horizon

Kolle et ses collègues ont testé les propriétés des microlentilles à travers un certain nombre d'expériences, dont un dans lequel ils versaient des gouttelettes dans une assiette peu profonde, placé sous un pochoir, ou "photomasque, " avec une découpe d'un visage souriant. Quand ils ont allumé une lampe UV au plafond, la lumière filtrée à travers les trous du photomasque, activer les tensioactifs dans les gouttelettes en dessous. Ces gouttelettes, à son tour, changé de leur original, interface plate, à un plus courbé, qui diffuse fortement la lumière, générant ainsi un motif sombre dans la plaque qui ressemblait au visage souriant du photomasque.

Les chercheurs décrivent également leur idée de la façon dont les microlentilles pourraient être utilisées comme microscopes de poche. Ils proposent de former un dispositif microfluidique avec une couche de microlentilles, dont chacun pourrait capturer une image d'un petit objet qui passe, comme une cellule sanguine. Chaque image serait capturée sous un angle différent, permettant finalement la récupération d'informations sur la forme tridimensionnelle de l'objet.

"L'ensemble du système pourrait être de la taille de votre téléphone ou de votre portefeuille, " dit Kolle. " Si vous mettez de l'électronique autour, vous avez un microscope dans lequel vous pouvez faire circuler des cellules sanguines ou d'autres cellules et les visualiser en 3D."

Il imagine aussi des écrans, recouvert de microlentilles, qui sont conçus pour réfracter la lumière dans des directions spécifiques.

« Peut-on projeter des informations sur une partie d'une foule et des informations différentes sur une autre partie de la foule dans un stade ? » dit Kollé. "Ces types d'optique sont difficiles, mais possible."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.