MIT科学家制造出液滴显微镜

水滴是天然的凸透镜，透过一滴水，整个世界便在你的眼前倒立和扭曲，就像是水晶球里看见的一样。

近日，MIT科学家便利用了水滴的这种性质，发明了一种用复合液滴制成的微型透镜，只有头发丝的直径大小，这项结果发表在上周的《自然通讯》上。

这种微透镜中其实是一个液滴，由两种不相的溶体构成，一种液体被包在另一种液体里 ，就像浸在水滴中的油珠。液滴在最简单的形式下，也可以将周围的物体放大成像，研究人员甚至可以调整液滴对光的折射，这类似于改变显微镜的焦距。 他们通过结合光学与化学，精确地控制了内置液滴和外包液滴之间的界面弧度。该界面就是这个液体显微镜的“镜头” 。

Mathias Kolle是MIT机械工程系的助理教授，他说： “液体有着丰富多彩的光学性质，它们可以被做成各种几何形状的液体透镜，我们还可以调节这些透镜，改变它们的弧度，从而改变焦距。它们的应用会非常广泛。”

例如，可调微透镜可以被用作三维显示的液体像素，把屏幕的光导向一个特定的角度，这样就可以产生随观察角度变化而变化的三维图像。他还设想，取一个血液样本，让其穿过一个口袋大小的中空的便携微透镜，透镜中的液滴矩阵从不同角度捕捉样本的图像，然后就可以还原出血细胞的三维图像来了。“我们希望利用复合液体微透镜可成像和可调节的特点，以前所未有的方式进行成像，”Kolle说。

一个双乳胶液滴从汇聚光的结构向散射光的结构转变

Kolle团队的工作建立在Swager的研究基础上。Swager团队在2015年发明了一种制造和调制复合液滴的新方法，用这个方法他们可以改变液滴——比如一颗油珠包着水再浸泡在水中——的大小和构成。Kolle制作的液体透镜也采用了相同的技术。

他们找了两种具有不同折射率的不相溶的透明液体（光进入不同折射率的介质时传播速度会发生改变，这是折射的基本原理），将它们装在一个小瓶中加热，当加热到一定温度时两种液体开始混合，这时再加入溶有表面活性剂（一种可以降低表面张力的分子）的水溶液。这几种液体快速混合，微小乳胶液滴就行成了。将液体冷却后，液滴中的不同液体迅速分离，成为液滴中包液滴的微透镜。

为了控制液滴的光学性质，表面活性剂的比例和浓度要适当。在这项实验中，他们选择了对光十分敏感的表面活性剂，这种分子在紫外光下可以变其形状，从而改变液滴和包裹于其中的液滴的张力，进而改变液滴的距焦能力。

液滴中的两种液体1:1混合，红色部分折射率略高，相当于一个透镜。不同的界面曲率有不同的焦距，可以汇聚光(I)，可以让光平行通过(V)，也可以发散光(VIII)

“我们可以控制的特性有很多方面，例如我们可以改变液滴焦距，可以改变形状以选择某一个特定角度的入射光，或者使一束激光向某一个特定方向汇聚”，Kolle说，“它可以在光导，光波剪裁等领域大显身手。”

为了测试微透镜的性质，Kolle和他的同事做了很多实验。他们把液滴注入一个中空的容器中，上面放一个蚀刻着笑脸的模板。然后打开紫外线灯，光线就从模板的笑脸空洞中通过，激活处于下面液滴中的表面活性剂。这些液滴原本平展的表面变得弯曲，光线经过后被散射到别处，便留下了一个笑脸形状的黑暗区域。而其它没有被紫外线照射到的区域仍然保持着平展的界面，光线可以径直通过。

被紫外线照射的区域中的液滴内部界面变得更弯曲，散射光的能力更强

研究人员还描述了用微透镜做成便携显微镜的想法。他们提出在设备上镀一层微透镜，每一个微透镜都可以捕捉到旁边流过的小物体（如血细胞），膜上的每一个微透镜从不同角度给血细胞拍照，最终还原出血细胞的三维照片。

每一个微透镜都在不同的角度捕捉物体的像，最后生成物体的三维图像

“ 整个系统只有你的钱包大小 ”，Kolle说。“再加上一些电路，你就可以拥有一台小型3-D显微镜了，你可以用它轻松测试流经的血液，并将结果可视化，”

他还设想了镀有微透镜的大屏幕，这种屏幕可以把光折射到某个特定的方向。“我们也许还能把大屏幕上的一部分信息投向人群的一部分人，把另一部分信息投向另一部分人？”

Kolle 说，“想法很疯狂，但并不是没有可能。”

编辑：梁柱

参考：Nagelberg, S. et al. Nature Communications 8，14673 (2017)

http://news.mit.edu/2017/microscopes-droplets-0310

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