Creazione di matrici regolabili di lenti microscopiche

Si contano a migliaia e la luce ne colpisce la falange lenti a contatto disposti su un viso secondo uno schema geometrico, i raggi si rifrangevano attraverso cumuli trasparenti non più larghi di un capello. Il design potrebbe trovare impiego nella robotica morbida e nell’ottica liquida.

L’occhio di una mosca vanta circa 4.000 lenti microscopiche e quello di un’ape fino al doppio. Queste lenti non appartengono a un occhio composto ma al polidimetilsilossano, un polimero flessibile da tempo considerato il parco giochi preferito di Stephen Morin del Nebraska e del suo gruppo di colleghi chimici.

Con l’aiuto degli ingegneri Ruiguo Yang e Grayson Minnick, il team di Morin può ora sistemare e fissare minuscole lenti gelatinose su un materiale elastico che consente un risultato ancora più grandioso.

Intagliando l’equivalente di un acquedotto nel materiale e facendo poi scorrere fluidi che alterano la temperatura o raccolgono acqua attraverso quei canali, i ricercatori possono anche espandere o contrarre le lenti in pochi secondi. modificandone l’ingrandimento, la lunghezza focale e altre proprietà ottiche.

Mentre insetti e crostacei hanno evoluto i loro occhi sfaccettati per disegnare panorami di ambienti antichi, il team di Morin sta immaginando il futuro: proiettando segnali su sensori incorporati in morbide pelli robotiche, ad esempio, tramite controllo su richiesta.

“Le microlenti artificiali che abbiamo oggi sono relativamente statiche”, ha affermato Morin, professore associato di chimica presso l’Università del Nebraska-Lincoln. “Hanno una lunghezza focale fissa, una dimensione fissa. Sono realizzati con materiali che ti danno le proprietà di lente che desideri, ma in realtà non hanno alcuna caratteristica dinamica.”

Per aggiungere quel dinamismo mancante, Morin e i suoi colleghi si sono rivolti agli idrogel, la classe di polimeri infusi in acqua che conferiscono alle lenti a contatto morbide la loro flessibilità. In passato, il team aveva fatto aderire fisicamente isole di idrogel a materiali siliconici, un’impresa già di per sé ingannevolmente difficile. Ma una sufficiente agitazione, o l’introduzione di sufficiente acqua, farebbe inevitabilmente staccare le isole dalla loro base siliconica.

“Il problema è che metterli insieme in modo che funzionino sinergicamente non è una cosa ben consolidata”, ha detto Morin. “Non c’era davvero nulla là fuori che mettesse insieme questi due materiali in una piattaforma solida e a lungo termine.”

Superare la sfida, Morin lo sapeva, avrebbe significato integrare la connessione fisica con una chimica. Il dottorando John Kapitan e il team hanno iniziato preparando il silicone trasparente con un trattamento al plasma modellato, rivestendolo con gruppi molecolari strategici e un composto a base di litio, depositando le isole di idrogel, quindi applicando successivamente le giuste lunghezze d’onda della luce ultravioletta.

Quella luce avvia il rilascio di radicali liberi altamente reattivi che si propagano attraverso vari gruppi molecolari, propagando essenzialmente catene che sporgono sia dal silicone stesso che attraverso la struttura emergente, stabilizzandola.

“Quando tutto è stato detto e fatto”, ha detto Morin, “si ottiene una struttura in qualche modo monolitica.

“Ora, oltre a quella parte fisica, c’è questo elemento chimico. E quella era davvero la salsa segreta.

Morin e i suoi colleghi avrebbero messo “aggressivamente” alla prova il monolite. Ci hanno buttato sopra l’acqua. Hanno allungato il silicone, lo hanno attorcigliato.

Hanno applicato dei pezzi di nastro adesivo e li hanno staccati, cercando di portare con sé le lenti. Gli hanno persino fatto un bagno ad ultrasuoni, insaporendolo con frequenze spesso utilizzate per pulire gioielli, dispositivi elettronici e altri prodotti che attirano lo sporco. Le lenti microscopiche pendevano resistenti attraverso tutto ciò.

“Una volta terminato, eravamo abbastanza soddisfatti che fossero rimasti bloccati abbastanza bene”, ha detto Morin.

Un’altra serie di esperimenti, guidati dal dottorando Brennan Watts, avrebbe presto testato e dimostrato le lenti in azione. In uno, il team ha puntato la luce su un Nebraska N, proiettandola su una serie di lenti idrogel e, dietro di esse, un microscopio posizionato per visualizzare le immagini risultanti.

Quando i ricercatori hanno fatto scorrere acqua fredda attraverso il materiale che supportava quelle lenti, il Nebraska N appariva nitido, a fuoco. Pochi secondi dopo aver portato l’acqua fino a 178 gradi Fahrenheit, le lenti si sono ristrette e, al momento giusto, la N si è sfocata.

Con sua sorpresa, il team avrebbe poi scoperto che lo spostamento della messa a fuoco non derivava dal cambiamento delle dimensioni o della curvatura delle lenti, ma piuttosto da un’alterazione del loro cosiddetto indice di rifrazione. La luce viaggia a velocità diverse quando passa attraverso mezzi diversi – aria, acqua, occhio umano – e questi cambiamenti di velocità corrispondono alla rifrazione o alla deflessione della luce ad angoli diversi.

Quando l’idrogel si è riscaldato e le lenti si sono contratte, hanno effettivamente espulso parte della loro acqua, aumentando la loro densità, modificando il loro indice di rifrazione e, infine, offuscando l’immagine della N.

Sebbene Morin abbia affermato che l’adattabilità al volo sia di buon auspicio per l’uso del progetto nei sistemi di microproiezione, il chimico è anche incuriosito dalle sue potenziali applicazioni in biologia. Poiché l’idrogel generalmente imita la rete gelatinosa che risiede tra le cellule di organismi complessi, i ricercatori spesso lo preferiscono quando tentano di coltivare cellule o tessuti al di fuori di un ambiente biologico.

Un dispositivo progettato da Yang, professore associato di ingegneria meccanica e dei materiali, ha garantito al laboratorio di Morin un controllo preciso non solo sulle dimensioni, sulla struttura e sulla composizione delle lenti idrogel depositate, ma anche sull’orientamento e sulla tensione del silicone su cui risiedono.

Questa precisione, combinata con la capacità del team di manipolare in modo reversibile le lenti stesse, potrebbe espandere le opzioni di coltura disponibili per coloro che lavorano nel campo dei biomateriali e dell’ingegneria biomedica, ha affermato Morin.

“Sembrerebbe ragionevole che questi tipi di cambiamenti dinamici di dimensioni e rigidità e cose di quella natura avrebbero un profondo effetto sulla biologia di qualsiasi cosa contenuta in essi”, ha detto. “Non siamo ancora arrivati ​​a questo punto, ma abbiamo sicuramente interesse per questi problemi”.

Per Morin, che ha trascorso anni a sperimentare con siliconi e altri polimeri, le considerazioni pratiche sui materiali adattabili stanno informando, e informate, quelle filosofiche.

C’era, ha detto, una ragione sensata per attaccare le lenti in idrogel al silicone: la sua elasticità allevia parte dello stress imposto dal rigonfiamento e dal restringimento delle lenti, aiutandole a mantenere una presa a lungo termine rispetto ad altri materiali più fragili.

Ma il chimico è anche interessato a riconsiderare la rigidità fisica e funzionale di ciò che viene prodotto: vedere materiali e strutture attraverso una nuova lente, più o meno qualche migliaio.

“C’è una certa confusione, credo, sul motivo per cui vogliamo materiali che si adattino”, ha detto. “E penso che questo sia insito nel modo in cui abbiamo progettato e prodotto i materiali… risalendo a quando abbiamo iniziato a creare cose, suppongo.

“Sostengo sempre che sarebbe fantastico se, tra 100 anni, i materiali che abbiamo realizzato fossero in grado di adattarsi man mano che cresciamo e cambiamo, invece di essere progettati per rimanere sempre gli stessi. Naturalmente questo lavoro ne è solo un microcosmo. Ma questa è l’idea. Questo è ciò che i materiali adattivi potrebbero darci”.

Fonte: Università del Nebraska-Lincoln