MIT狂想曲：液滴显微镜

小小的水滴，其实也是天然的放大镜。

水滴放大镜。图片来自网络

如今，利用水滴（或液滴）的这种性质，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员发明了一种发丝般大小、用复合液滴制成的微透镜。他们的研究结果发表在Nature Communications 上。

研究人员用复合液滴设计出的微透镜。图片来源：Nat. Commun.

事实上，这种微透镜是由两种液滴构成的，其中一种包含在另一种之内，正好像一个水滴中又裹入了一个油珠。即便是最简单的形式，这些液滴也能将周围的物体放大成像。不过，MIT的研究人员还调整了液滴对光的过滤和折射，相当于把显微镜的焦距给调了一下。

结合了化学与光学手段，研究人员精确塑造了内部液滴和外部液滴之间界面的弧度。该界面扮演着某种内置“镜头”的角色，丝毫不逊色于普通显微镜那些复杂的镜头。

“我们的研究表明，液体有着令人眼花缭乱的光学性质，”本文作者之一、MIT机械工程系助理教授Mathias Kolle说，“因此，通过构建不同的几何形状，我们能够创造出形形色色的液体透镜，尤为出彩的地方在于，它们是可调控的，赋予了其无限的应用前景。”

Mathias Kolle。图片来源：MIT

Kolle举了个例子：这种可调控的微透镜可被用作三维显示的液体像素，将光精确地导向特定角度，从而获得可随观测角度之变化而变化的图像。很自然地，他有了这样一种设想，即设计一种仅有口袋大小的显微镜，有了这件神器，若有血样穿过，在一列液滴透镜的帮助下，就有可能还原出单个血细胞的三维图像。

“我们希望，利用复合液体透镜既能成像、又可调控的优异特性，以前所未有的方式，将过去只能想想的画面真实呈现在人们面前。”Kolle兴奋地说。

若要追根溯源的话，Kolle等人的工作其实是建立在Swager等人的研究基础上。Swager等人于2015年找到了一种制造并重塑复合液滴的新方法，非常棒的是，借助一种小技巧，该团队可以改变液滴——如油珠包着水，再泡在水里——的大小和构成。俗话说“前人栽树，后人乘凉”，Swager等人正是借用了这种方法造出了自己的液体透镜。

讲了这么多，这种微透镜究竟是怎么造出来的？原来，Kolle等人选择了两种折射率不同（一种高、一种低）的透明液体，将其置入一个小瓶内加热，使之混合，然后再加入内有表面活性剂的水溶液。此时几种液体快速混合，小小的乳状液滴就成形了。接下来，再将其冷却，液滴中的各种液体分离开来，结果便是液滴中又包含着液滴。

为了能够有效控制液滴的光学性质，研究人员加入了一定浓度和比例的表面活性剂——这些化合物能够降低两种液体间的表面张力——其中一种是光敏分子。当暴露于紫外光下时，这种分子可以改变形状，从而改变液体间的表面张力，进而改变液滴的聚焦能力。而当暴露于蓝光下时，这种效应又可以逆转。

“妙的是，我们可以做的事情不少，比如说改变液滴焦距或光聚焦的位置等，”Kolle不无得意地说道，“在光导、传播等很多方面，它都称得上是好帮手。”

为了摸摸微透镜的底细，Kolle等人做了大把实验。其中一个实验是：将液滴注入一个浅盘，上面再放上一个蚀刻有“笑脸”的模板。接下来，打开紫外灯，光线从模板的空洞中通过，激活下方液滴中的表面活性剂。于是，这些液滴从原来的平展状态变得有些弯曲，将光散射开来，这样就留下了笑脸状的暗区。

实验中产生的笑脸状暗区。图片来源：Nat. Commun.

研究人员还产生了这样一个念头，即利用微透镜制造便携式显微镜。他们提出，可用一层微透镜造出一台微流体设备，每一个微透镜都可以捕获周边流过的小物体（如血细胞）的一个图像。由于可以从不同的角度分别留影，因此，最终就可以还原出这些物体的三维图像。

“整个系统可能只有手机或钱包般大小，”Kolle说，“再配上一些电子器件，你就有了一台神奇的显微镜了，不管是血细胞还是其他什么细胞，只要流过，你就能看到它们的3D图像。”

他甚至还设想了配有微透镜层的屏幕，可以将光线折射到特定的方向。“就拿体育馆来说吧，里面有那么多观众，我们可以把这部分信息提供给这部分人，那部分信息提供给那部分人，满足他们不同的需求，”Kolle说，“或许有人会觉得这些想法很疯狂，但梦想总是要有的，万一实现了呢？”

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Reconfigurable and responsive droplet-based compound micro-lenses

Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms14673）

本文编译自：

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