MIT科學家製造出液滴顯微鏡

水滴是天然的凸透鏡，透過一滴水，整個世界便在你的眼前倒立和扭曲，就像是水晶球里看見的一樣。

近日，MIT科學家便利用了水滴的這種性質，發明了一種用複合液滴製成的微型透鏡，只有頭髮絲的直徑大小，這項結果發表在上周的《自然通訊》上。

這種微透鏡中其實是一個液滴，由兩種不相的溶體構成，一種液體被包在另一種液體里，就像浸在水滴中的油珠。液滴在最簡單的形式下，也可以將周圍的物體放大成像，研究人員甚至可以調整液滴對光的折射，這類似於改變顯微鏡的焦距。他們通過結合光學與化學，精確地控制了內置液滴和外包液滴之間的界面弧度。該界面就是這個液體顯微鏡的「鏡頭」。

Mathias Kolle是MIT機械工程系的助理教授，他說：「液體有著豐富多彩的光學性質，它們可以被做成各種幾何形狀的液體透鏡，我們還可以調節這些透鏡，改變它們的弧度，從而改變焦距。它們的應用會非常廣泛。」

例如，可調微透鏡可以被用作三維顯示的液體像素，把屏幕的光導向一個特定的角度，這樣就可以產生隨觀察角度變化而變化的三維圖像。他還設想，取一個血液樣本，讓其穿過一個口袋大小的中空的便攜微透鏡，透鏡中的液滴矩陣從不同角度捕捉樣本的圖像，然後就可以還原出血細胞的三維圖像來了。「我們希望利用複合液體微透鏡可成像和可調節的特點，以前所未有的方式進行成像，」Kolle說。

一個雙乳膠液滴從匯聚光的結構向散射光的結構轉變

Kolle團隊的工作建立在Swager的研究基礎上。Swager團隊在2015年發明了一種製造和調製複合液滴的新方法，用這個方法他們可以改變液滴——比如一顆油珠包著水再浸泡在水中——的大小和構成。Kolle製作的液體透鏡也採用了相同的技術。

他們找了兩種具有不同折射率的不相溶的透明液體（光進入不同折射率的介質時傳播速度會發生改變，這是折射的基本原理），將它們裝在一個小瓶中加熱，當加熱到一定溫度時兩種液體開始混合，這時再加入溶有表面活性劑（一種可以降低表面張力的分子）的水溶液。這幾種液體快速混合，微小乳膠液滴就行成了。將液體冷卻后，液滴中的不同液體迅速分離，成為液滴中包液滴的微透鏡。

為了控制液滴的光學性質，表面活性劑的比例和濃度要適當。在這項實驗中，他們選擇了對光十分敏感的表面活性劑，這種分子在紫外光下可以變其形狀，從而改變液滴和包裹於其中的液滴的張力，進而改變液滴的距焦能力。

液滴中的兩種液體1:1混合，紅色部分折射率略高，相當於一個透鏡。不同的界面曲率有不同的焦距，可以匯聚光(I)，可以讓光平行通過(V)，也可以發散光(VIII)

「我們可以控制的特性有很多方面，例如我們可以改變液滴焦距，可以改變形狀以選擇某一個特定角度的入射光，或者使一束激光向某一個特定方向匯聚」，Kolle說，「它可以在光導，光波剪裁等領域大顯身手。」

為了測試微透鏡的性質，Kolle和他的同事做了很多實驗。他們把液滴注入一個中空的容器中，上面放一個蝕刻著笑臉的模板。然後打開紫外線燈，光線就從模板的笑臉空洞中通過，激活處於下面液滴中的表面活性劑。這些液滴原本平展的表面變得彎曲，光線經過後被散射到別處，便留下了一個笑臉形狀的黑暗區域。而其它沒有被紫外線照射到的區域仍然保持著平展的界面，光線可以徑直通過。

被紫外線照射的區域中的液滴內部界面變得更彎曲，散射光的能力更強

研究人員還描述了用微透鏡做成便攜顯微鏡的想法。他們提出在設備上鍍一層微透鏡，每一個微透鏡都可以捕捉到旁邊流過的小物體（如血細胞），膜上的每一個微透鏡從不同角度給血細胞拍照，最終還原出血細胞的三維照片。

每一個微透鏡都在不同的角度捕捉物體的像，最後生成物體的三維圖像

「整個系統只有你的錢包大小」，Kolle說。「再加上一些電路，你就可以擁有一台小型3-D顯微鏡了，你可以用它輕鬆測試流經的血液，並將結果可視化，」

他還設想了鍍有微透鏡的大屏幕，這種屏幕可以把光折射到某個特定的方向。「我們也許還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 說，「想法很瘋狂，但並不是沒有可能。」