Ils se comptent par milliers, la lumière frappant la phalange de lentilles disposées sur un visage selon un motif géométrique, les faisceaux se réfractant à travers des monticules transparents pas furthermore larges qu’un cheveu.
L’œil d’une mouche possède environ 4 000 lentilles microscopiques, celle d’une abeille jusqu’à deux fois additionally. Ces lentilles, cependant, n’appartiennent pas à un œil composé mais au polydiméthylsiloxane – un polymère adaptable qui est depuis longtemps un terrain de jeu privilégié de Stephen Morin du Nebraska et de son groupe de collègues chimistes.
Avec l’aide des ingénieurs Ruiguo Yang et Grayson Minnick, l’équipe de Morin peut désormais disposer et fixer de minuscules lentilles gélatineuses sur un matériau élastique permettant de réaliser une réalisation encore as well as grandiose. En sculptant l’équivalent d’aqueducs dans le matériau, puis en faisant passer des fluides modifiant la température ou collectant l’eau à travers ces canaux, les chercheurs peuvent également dilater ou contracter les lentilles en quelques secondes seulement, modifiant ainsi leur grossissement, leur distance focale et d’autres propriétés optiques. processus.
Alors que les insectes et les crustacés ont développé leurs yeux aux multiples facettes pour dessiner des panoramas d’environnements anciens, l’équipe de Morin envisage l’avenir : projeter des signaux sur des capteurs intégrés dans des peaux souples de robots, par exemple, through un contrôle à la demande.
« Les microlentilles artificielles dont nous disposons aujourd’hui sont relativement statiques », a déclaré Morin, professeur agrégé de chimie à l’Université du Nebraska-Lincoln. « Ils ont une length focale et une taille fixes. Ils sont fabriqués à partir de matériaux qui vous confèrent les propriétés de lentille souhaitées, mais ils n’ont pas vraiment de caractéristiques dynamiques. »
Pour ajouter ce dynamisme manquant, Morin et ses collègues se sont tournés vers les hydrogels, la classe de polymères infusés d’eau qui confèrent leur souplesse aux lentilles de speak to souples. Dans le passé, l’équipe avait physiquement collé des îlots d’hydrogel à des matériaux en silicone, un exploit en soi trompeusement difficile. Mais une agitation suffisante, ou l’introduction d’une quantité suffisante d’eau, détacherait inévitablement les îlots de leur foundation silicone.
« Le problème est que les regrouper de manière à ce qu’ils fonctionnent en synergie n’est pas bien établi », a déclaré Morin. « Il n’y avait pas vraiment quoi que ce soit qui puisse rassembler ces deux matériaux dans une plate-forme robuste et à long terme. »
Pour relever le défi, Morin le savait, il faudrait compléter la connexion physique par une connexion chimique. Le doctorant John Kapitan et l’équipe ont commencé par apprêter le silicone clear avec un traitement plasma à motifs, le recouvrir de groupes moléculaires stratégiques et d’un composé à foundation de lithium, déposer les îlots d’hydrogel, puis appliquer ensuite les bonnes longueurs d’onde de lumière ultraviolette. Cette lumière déclenche la libération de radicaux libres hautement réactifs qui se propagent à travers divers groupes moléculaires, propageant essentiellement des chaînes qui dépassent à la fois du silicone lui-même et à travers la structure émergente, la stabilisant ainsi.
« Maintenant, en plus de cette partie physique, il y a cet élément chimique. Et c’était vraiment la sauce secrète. »
Morin et ses collègues mettaient « agressivement » le monolithe à l’épreuve. Ils ont jeté de l’eau dessus. Ils ont étiré le silicone, l’ont tordu. Ils ont collé des morceaux de ruban adhésif et les ont décollés, essayant d’emporter les lentilles avec eux. Ils lui ont même donné un bain à ultrasons, le parsemant de fréquences souvent utilisées pour nettoyer les bijoux, les appareils électroniques et autres produits qui attirent la saleté. Les lentilles microscopiques ont tenu bon malgré tout.
« Quand nous avons terminé, nous étions assez satisfaits de voir qu’ils étaient plutôt bien coincés », a déclaré Morin.
Une autre série d’expériences, dirigée par la doctorante Brennan Watts, allait bientôt tester et démontrer les lentilles en action. Dans l’un d’entre eux, l’équipe a éclairé un Nebraska N, en le projetant sur un ensemble de lentilles en hydrogel et, au-delà d’elles, un microscope positionné pour visualiser les images résultantes. Lorsque les chercheurs ont fait couler de l’eau froide à travers le matériau supportant ces lentilles, le Nebraska N est apparu web et internet. Quelques secondes seulement après avoir fait monter cette eau à 178 degrés Fahrenheit, les lentilles ont rétréci et, au bon instant, le N est devenu flou.
À sa grande surprise, l’équipe a appris moreover tard que le changement de mise au point ne provenait pas d’un changement de taille ou de courbure des lentilles, mais plutôt d’une altération de leur indice de réfraction. La lumière se déplace à différentes vitesses lorsqu’elle traverse différents milieux – l’air, l’eau, l’œil humain – et ces changements de vitesse correspondent à la réfraction ou à la courbure de la lumière sous différents angles. Au fur et à mesure que l’hydrogel se réchauffait et que les lentilles se contractaient, elles expulsaient une partie de leur eau, augmentant ainsi leur densité, modifiant leur indice de réfraction et, finalement, brouillant l’image du N.
Même si Morin affirme que l’adaptabilité à la volée est de bon augure pour l’utilisation de ce modèle dans des systèmes de microprojection, le chimiste est également intrigué par ses apps potentielles en biologie. Parce que l’hydrogel imite généralement le réseau gélatineux résidant entre les cellules d’organismes complexes, les chercheurs le privilégient souvent lorsqu’ils tentent de cultiver des cellules ou des tissus en dehors d’un environnement biologique.
Un dispositif conçu par Yang, professeur agrégé de génie mécanique et des matériaux, a permis au laboratoire de Morin de contrôler avec précision non seulement la taille, le motif et la composition des lentilles d’hydrogel qu’il dépose, mais également l’orientation et la rigidity du silicone sur lequel elles résident. Cette précision, combinée à la capacité de l’équipe à manipuler les lentilles elles-mêmes de manière réversible, pourrait élargir les selections de society disponibles pour ceux qui travaillent dans le domaine des biomatériaux et du génie biomédical, a déclaré Morin.
« Il semblerait raisonnable que ces sorts de changements dynamiques de taille et de rigidité et des choses de cette character aient un effet profond sur la biologie de tout ce qu’ils contiennent », a-t-il déclaré. « Nous n’en sommes pas encore là, mais ces problèmes nous intéressent certainement. »
Pour Morin, qui a passé des années à expérimenter les silicones et autres polymères, les considérations pratiques des matériaux adaptables éclairent et éclairent les considérations philosophiques. Il y avait, dit-il, une raison raisonnable pour fixer les lentilles en hydrogel sur du silicone : son élasticité soulage une partie du pressure imposé par le gonflement et le rétrécissement des lentilles, les aidant ainsi à maintenir une adhérence à additionally lengthy terme que d’autres matériaux furthermore cassants.
Mais le chimiste souhaite également reconsidérer la rigidité physique et fonctionnelle de ce qui est fabriqué – en regardant les matériaux et les structures sous un nouvel angle, à quelques milliers près.
« Il y a une certaine confusion, je pense, quant à la raison pour laquelle nous voulons des matériaux qui s’adaptent », a-t-il déclaré. « Et je pense que cela fait partie intégrante de la façon dont nous avons conçu et fabriqué les matériaux… depuis le début de notre fabrication, je suppose.
« Je dis toujours que ce serait génial si, dans 100 ans, les matériaux que nous fabriquons pouvaient s’adapter à mesure que nous grandissons et changeons, au lieu d’être simplement conçus pour rester les mêmes tout au long du processus. Bien sûr, ce travail n’est qu’un microcosme de cela. Mais c’est l’idée. C’est ce que les matériaux adaptatifs pourraient nous apporter.
L’équipe, qui comprenait également Nengjian Huang et Mark Rose du Nebraska, a publié ses conclusions dans la revue Highly developed Purposeful Materials. Les chercheurs ont reçu le soutien du Military Analysis Business et de la Nationwide Science Foundation.
