Una matriz de microlentes que se autoensamblan en torno a un eje central. Fuente: Universidad de Pensilvania.
Los ojos compuestos que se encuentran en los insectos y algunas criaturas del mar son una maravilla de la evolución. En ellos, miles de lentes funcionando juntas para proporcionar información sofisticada sin la necesidad de un cerebro sofisticado. El artificio humano sólo puede comenzar a aproximarse a estas estructuras auto-ensambladas de forma natural, y, aun así, requieren técnicas de fabricación esmeradas.
Ahora, ingenieros y físicos de la Universidad de Pensilvania (EE.UU.) han demostrado cómo se pueden emplear los cristales líquidos para crear lentes compuestas similares a las que se encuentran en la naturaleza. Aprovechando la geometría en la que estos cristales líquidos les gusta organizarse, los investigadores son capaces de crear lentes compuestas con tamaños controlables.
Estas lentes producen conjuntos de imágenes con diferentes longitudes focales, una propiedad que se podría utilizar para obtener imágenes en tres dimensiones. También son sensibles a la polarización de la luz, una de las cualidades que se cree que ayuda a las abejas a navegar por sus entornos. El estudio ha sido publicado en Advanced Optical Materials.
El trabajo previo del grupo había mostrado cómo el cristal líquido esméctico, una clase de cristal líquido similar al jabón transparente, se auto-ensamblaba en estructuras con forma de flor cuando lo colocaban alrededor de un centro de sílice. Cada "pétalo" de estas flores era un "dominio cónico focal," una estructura que otros investigadores habían demostrado que podría ser utilizado como una lente simple.
"Teniendo en cuenta la similitud externa de la flor de cristal líquido con una lente compuesta, teníamos curiosidad acerca de sus propiedades ópticas", explica Amine Gharbi, investigador postdoc del Departamento de Física y Astronomía, en la nota de prensa de la universidad.
"Nuestra primera pregunta", dijo Serra, "era ¿qué tipo de lente era esta? ¿Es una matriz de microlentes individuales, o actúa esencialmente como una lente grande? Ambos tipos existen en la naturaleza".
Ahora, ingenieros y físicos de la Universidad de Pensilvania (EE.UU.) han demostrado cómo se pueden emplear los cristales líquidos para crear lentes compuestas similares a las que se encuentran en la naturaleza. Aprovechando la geometría en la que estos cristales líquidos les gusta organizarse, los investigadores son capaces de crear lentes compuestas con tamaños controlables.
Estas lentes producen conjuntos de imágenes con diferentes longitudes focales, una propiedad que se podría utilizar para obtener imágenes en tres dimensiones. También son sensibles a la polarización de la luz, una de las cualidades que se cree que ayuda a las abejas a navegar por sus entornos. El estudio ha sido publicado en Advanced Optical Materials.
El trabajo previo del grupo había mostrado cómo el cristal líquido esméctico, una clase de cristal líquido similar al jabón transparente, se auto-ensamblaba en estructuras con forma de flor cuando lo colocaban alrededor de un centro de sílice. Cada "pétalo" de estas flores era un "dominio cónico focal," una estructura que otros investigadores habían demostrado que podría ser utilizado como una lente simple.
"Teniendo en cuenta la similitud externa de la flor de cristal líquido con una lente compuesta, teníamos curiosidad acerca de sus propiedades ópticas", explica Amine Gharbi, investigador postdoc del Departamento de Física y Astronomía, en la nota de prensa de la universidad.
"Nuestra primera pregunta", dijo Serra, "era ¿qué tipo de lente era esta? ¿Es una matriz de microlentes individuales, o actúa esencialmente como una lente grande? Ambos tipos existen en la naturaleza".
Fabricación
Para hacer las lentes, los investigadores utilizaron la fotolitografía para fabricar una plancha de micropilares, y luego extendieron el cristal líquido por la hoja. A temperatura ambiente, el cristal líquido se adhiere a los bordes superiores de los postes, transmitiendo una señal de energía elástica que hace que los dominios cónicos focales del cristal se alineen en círculos concéntricos alrededor de los postes.
Si estas lentes de cristal líquido eran muy fáciles de hacer, el experimento para probar sus propiedades también fue relativamente simple. Para ello utilizaron la lente con un microscopio, observando un portaobjetos con una letra P.
"Si la matriz funcionaba como una sola lente", dice Serra, "una sola imagen virtual aparecería. Pero debido a que funcionaban como microlentes separadas, vimos múltiples P, una en cada una de las lentes".
Debido a que los dominios cónicos focales varían en tamaño, las longitudes focales para cada anillo de microlentes es diferente. A medida que los investigadores movían el objetivo del microscopio, las imágenes de la P iban enfocándose y desenfocándose sucesivamente.
"El hecho de que se enfoquen en diferentes planos es lo que permite la reconstrucción de imágenes en 3-D", dice Yang. "Se puede utilizar esa información para ver a qué distancia está el objeto que se está viendo."
Un segundo experimento también mostró este efecto de paralaje (desviación angular de la posición aparente de un objeto, dependiendo del punto de vista elegido). Sustituyendo la P con dos imágenes de prueba, una cruz con un cuadrado suspendido varios centímetros por encima de ella, los investigadores demostraron que la cruz se intersectaba con el cuadrado en diferentes puntos según la lente. Este fenómeno permitió la reconstrucción del cuadrado y su relación espacial con la cruz.
Un tercer experimento mostró que las lentes del equipo eran sensibles a la polarización de la luz, un rasgo que no se había demostrado antes en las lentes de cristal líquido. Se cree que las abejas utilizan esta información para identificar mejor las flores, viendo cómo se alinean las ondas de luz al rebotar en sus pétalos. Al poner otra imagen, una cara sonriente, por encima de la lámpara del microscopio y un filtro polarizador en la parte superior, los investigadores fueron capaces de bloquear la formación de imágenes en algunos objetivos pero no en otros.
Por ejemplo, dice Francesca Serra, del Departamento de Física: "Las lentes a la derecha y a la izquierda del pilar mostrarán imágenes sólo de la luz polarizada verticalmente. Esta sensibilidad resulta de la disposición geométrica peculiar de los defectos de este cristal líquido, del que carecen otros ojos compuestos o microlentes artificiales".
El equipo ha demostrado cómo hacer crecer estas lentes compuestas según se desee. "Antes eran flores diminutas. Ahora son 10 veces más grandes", dice Kathleen Stebe, decana adjunta de la Escuela de Ingeniería y Ciencia Aplicada, y profesora de Ingeniería Química y Biomolecular. "Eso es importante porque demuestra que el sistema se escala; si alguna vez queremos producir en masa estas lentes, podemos usar la misma técnica en superficies arbitrariamente grandes".
Para hacer las lentes, los investigadores utilizaron la fotolitografía para fabricar una plancha de micropilares, y luego extendieron el cristal líquido por la hoja. A temperatura ambiente, el cristal líquido se adhiere a los bordes superiores de los postes, transmitiendo una señal de energía elástica que hace que los dominios cónicos focales del cristal se alineen en círculos concéntricos alrededor de los postes.
Si estas lentes de cristal líquido eran muy fáciles de hacer, el experimento para probar sus propiedades también fue relativamente simple. Para ello utilizaron la lente con un microscopio, observando un portaobjetos con una letra P.
"Si la matriz funcionaba como una sola lente", dice Serra, "una sola imagen virtual aparecería. Pero debido a que funcionaban como microlentes separadas, vimos múltiples P, una en cada una de las lentes".
Debido a que los dominios cónicos focales varían en tamaño, las longitudes focales para cada anillo de microlentes es diferente. A medida que los investigadores movían el objetivo del microscopio, las imágenes de la P iban enfocándose y desenfocándose sucesivamente.
"El hecho de que se enfoquen en diferentes planos es lo que permite la reconstrucción de imágenes en 3-D", dice Yang. "Se puede utilizar esa información para ver a qué distancia está el objeto que se está viendo."
Un segundo experimento también mostró este efecto de paralaje (desviación angular de la posición aparente de un objeto, dependiendo del punto de vista elegido). Sustituyendo la P con dos imágenes de prueba, una cruz con un cuadrado suspendido varios centímetros por encima de ella, los investigadores demostraron que la cruz se intersectaba con el cuadrado en diferentes puntos según la lente. Este fenómeno permitió la reconstrucción del cuadrado y su relación espacial con la cruz.
Un tercer experimento mostró que las lentes del equipo eran sensibles a la polarización de la luz, un rasgo que no se había demostrado antes en las lentes de cristal líquido. Se cree que las abejas utilizan esta información para identificar mejor las flores, viendo cómo se alinean las ondas de luz al rebotar en sus pétalos. Al poner otra imagen, una cara sonriente, por encima de la lámpara del microscopio y un filtro polarizador en la parte superior, los investigadores fueron capaces de bloquear la formación de imágenes en algunos objetivos pero no en otros.
Por ejemplo, dice Francesca Serra, del Departamento de Física: "Las lentes a la derecha y a la izquierda del pilar mostrarán imágenes sólo de la luz polarizada verticalmente. Esta sensibilidad resulta de la disposición geométrica peculiar de los defectos de este cristal líquido, del que carecen otros ojos compuestos o microlentes artificiales".
El equipo ha demostrado cómo hacer crecer estas lentes compuestas según se desee. "Antes eran flores diminutas. Ahora son 10 veces más grandes", dice Kathleen Stebe, decana adjunta de la Escuela de Ingeniería y Ciencia Aplicada, y profesora de Ingeniería Química y Biomolecular. "Eso es importante porque demuestra que el sistema se escala; si alguna vez queremos producir en masa estas lentes, podemos usar la misma técnica en superficies arbitrariamente grandes".
Referencia bibliográfica:
Francesca Serra, Mohamed A. Gharbi, Yimin Luo, Iris B. Liu, Nathan D. Bade, Randall D. Kamien, Shu Yang, Kathleen J. Stebe. Curvature-Driven, One-Step Assembly of Reconfigurable Smectic Liquid Crystal “Compound Eye” Lenses://. Advanced Optical Materials, 2015; DOI: 10.1002/adom.201500153
Francesca Serra, Mohamed A. Gharbi, Yimin Luo, Iris B. Liu, Nathan D. Bade, Randall D. Kamien, Shu Yang, Kathleen J. Stebe. Curvature-Driven, One-Step Assembly of Reconfigurable Smectic Liquid Crystal “Compound Eye” Lenses://. Advanced Optical Materials, 2015; DOI: 10.1002/adom.201500153