Os cientistas geram imagens de campo escuro, ajustando microsca³pios padrãocom componentes geralmente caros para iluminar o esta¡gio da amostra com um cone de luz oco e altamente angulado. Quando uma amostra translaºcida écolocada sob um microsca³pio de campo escuro, o cone de luz dispersa os recursos da amostra para criar uma imagem da amostra na ca¢mera do microsca³pio, em contraste brilhante com o fundo escuro.

Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um pequeno chip espelhado que ajuda a produzir imagens de campo escuro, sem componentes caros dedicados. O chip éum pouco maior que um selo postal e fino como um cartão de cranãdito. Quando colocado no palco do microsca³pio, o chip emite um cone oco de luz que pode ser usado para gerar imagens detalhadas do campo escuro de algas, bactanãrias e objetos minaºsculos igualmente translaºcidos.

O novo chip a³ptico pode ser adicionado aos microsca³pios padrãocomo uma alternativa acessa­vel e reduzida aos componentes convencionais de campo escuro. O chip também pode ser instalado em microsca³pios de ma£o para produzir imagens de microorganismos no campo.

"Imagine que vocêéum bia³logo marinho", diz Cecile Chazot, estudante de graduação do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “Vocaª normalmente precisa trazer um grande balde de águapara o laboratório para analisar. Se a amostra estiver ruim, vocêprecisara¡ voltar para coletar mais amostras. Se vocêpossui um microsca³pio porta¡til de campo escuro, pode verificar uma gota no balde enquanto estiver no mar, para ver se pode voltar para casa ou se precisa de um novo balde. ”

Chazot éo principal autor de um artigo detalhando o novo design da equipe, publicado hoje na revista Nature Photonics. Seus co-autores são Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Peter So e Mathias Kolle do MIT, juntamente com Christopher Rowlands no Imperial College de Londres e Maik Scherer da Papierfabrik Louisenthal GmbH na Alemanha.

Em um esfora§o conta­nuo, os membros do laboratório de Kolle estãoprojetando materiais e dispositivos que exibem "cores estruturais" duradouras que não dependem de corantes ou pigmentação. Em vez disso, eles empregam estruturas em nano e microescala que refletem e dispersam a luz como pequenos prismas ou bolhas de saba£o. Eles podem, portanto, parecer mudar de cor, dependendo de como suas estruturas são organizadas ou manipuladas.

A cor estrutural pode ser vista nas asas iridescentes de besouros e borboletas, nas penas dos pa¡ssaros, nas escamas de peixes e em algumas panãtalas de flores. Inspirado por exemplos de cores estruturais na natureza, Kolle tem investigado várias maneiras de manipular a luz de uma perspectiva microsca³pica e estrutural.

Como parte desse esfora§o, ele e Chazot projetaram um pequeno chip de três camadas que eles originalmente pretendiam usar como um laser em miniatura. A camada intermedia¡ria funciona como fonte de luz do chip, feita a partir de um pola­mero infundido com pontos qua¢nticos - pequenas nanoparta­culas que emitem luz quando excitadas com luz fluorescente. Chazot compara essa camada a uma pulseira de brilho, onde a reação de dois produtos químicos cria a luz; exceto aqui nenhuma reação química énecessa¡ria - apenas um pouco de luz azul fara¡ os pontos qua¢nticos brilharem nas cores laranja e vermelho.

"Nos bastaµes de luz, eventualmente esses produtos químicos param de emitir luz", diz Chazot. “Mas os pontos qua¢nticos são esta¡veis. Se vocêfizesse uma pulseira com pontos qua¢nticos, eles seriam fluorescentes por muito tempo. ”

Sobre essa camada geradora de luz, os pesquisadores colocaram um espelho de Bragg - uma estrutura feita de camadas alternadas em nanoescala de materiais transparentes, com a­ndices de refração distintamente diferentes, significando os graus em que as camadas refletem a luz que entra.

O espelho de Bragg, diz Kolle, atua como uma espanãcie de "guardia£o" dos fa³tons emitidos pelos pontos qua¢nticos. O arranjo e as espessuras das camadas do espelho são tais que permitem que os fa³tons escapem para cima e para fora do chip, mas somente se a luz chegar ao espelho em a¢ngulos altos. A luz que chega em a¢ngulos mais baixos édevolvida ao chip.

Os pesquisadores adicionaram um terceiro recurso abaixo da camada geradora de luz para reciclar os fa³tons inicialmente rejeitados pelo espelho de Bragg. Essa terceira camada émoldada com epa³xi sãolido e transparente, revestida com uma pela­cula reflexiva de ouro e se assemelha a uma caixa de ovos em miniatura, cheia de pequenos poa§os, cada um medindo cerca de 4 ma­crons de dia¢metro.

Chazot revestiu essasuperfÍcie com uma fina camada de ouro altamente refletivo - um arranjo a³ptico que atua para captar qualquer luz que reflita do espelho de Bragg e ping-pong que reaparecem, provavelmente em um novo a¢ngulo que o espelho deixaria atravanãs. O design desta terceira camada foi inspirado na estrutura microsca³pica da escala nas asas da borboleta Papilio .

“As escamas das asas das borboletas apresentam estruturas realmente intrigantes, semelhantes a caixas de ovos, com um revestimento de espelho de Bragg, o que lhes confere uma cor iridescente”, diz Chazot.

Os pesquisadores originalmente projetaram o chip como uma matriz de fontes de laser em miniatura, pensando que suas três camadas poderiam trabalhar juntas para criar padraµes de emissão de laser personalizados.

"O projeto inicial era construir um conjunto de cavidades de laser de microescala acopla¡veis, seleciona¡veis ​​individualmente", diz Kolle, professor associado de engenharia meca¢nica do MIT. "Mas quando Cecile fez as primeirassuperfÍcies, percebemos que elas tinham um perfil de emissão muito interessante, mesmo sem o laser".

Quando Chazot olhou para o chip sob um microsca³pio, ela notou algo curioso: o chip emitia fa³tons apenas em a¢ngulos altos, formando um cone oco de luz. Acontece que o espelho de Bragg tinha as espessuras de camada corretas para permitir que os fa³tons passassem quando chegassem ao espelho com um certo a¢ngulo (alto).

“Quando vimos esse cone oco de luz, nos perguntamos: 'Esse dispositivo pode ser útil para alguma coisa?'”, Diz Chazot. "E a resposta foi: sim!"

Acontece que eles haviam incorporado os recursos de vários componentes de microsca³pio de campo escuro, caros e volumosos, em um aºnico chip pequeno.

Chazot e seus colegas usaram conceitos a³pticos teóricos bem estabelecidos para modelar as propriedades a³pticas do chip e otimizar seu desempenho para esta tarefa recanãm-encontrada. Eles fabricaram vários chips, cada um produzindo um cone de luz oco com um perfil angular personalizado.  

"Independentemente do microsca³pio que vocêestiver usando, dentre todos esses pequenos chips, um funcionara¡ com seu objetivo", diz Chazot.

Para testar os chips, a equipe coletou amostras de águado mar e de cepas não patogaªnicas da bactanãria E. coli , e colocou cada amostra em um chip que eles colocaram na plataforma de um microsca³pio de campo claro padra£o. Com essa configuração simples, eles foram capazes de produzir imagens claras e detalhadas do campo escuro de células bacterianas individuais, bem como microorganismos na águado mar, quase invisa­veis sob iluminação de campo claro.

Em um futuro pra³ximo, esses chips de iluminação de campo escuro podem ser produzidos em massa e adaptados para microsca³pios simples e denívelmanãdio, para permitir a geração de imagens de amostras biológicas translaºcidas e de baixo contraste. Em combinação com outros trabalhos no laboratório de Kolle, os chips também podem ser incorporados a dispositivos de imagem em campo escuro miniaturizados para diagnóstico no ponto de atendimento e aplicações bioanala­ticas no campo.  

"Esta éuma história maravilhosa de inovação baseada em descobertas que tem o potencial de causar amplo impacto na ciência e na educação ao equipar os microsca³pios de variedades de jardins com essa tecnologia", diz James Burgess, gerente de programa do Instituto de Nanotecnologias de Soldados do Departamento de Pesquisa do Exanãrcito. "Além disso, a capacidade de obter contraste superior na imagem de materiais biola³gicos e inorga¢nicos sob ampliação a³ptica pode ser incorporada aos sistemas para identificação de novas ameaa§as e toxinas biológicas nos laboratórios do Army Medical Center e no campo de batalha".