LAM | 软物质世界的全息之匙

软物质（Soft Matter）是一门独特的研究领域，它常用来概括胶体、高分子、泡沫、薄膜、颗粒物质和生物材料等对象。这些对象的物理结构往往在微米/亚微米级，既不属于原子/分子级的微观尺度，也不属于常规的宏观尺度（米）。因此对软物质对象的定量实时测量与表征一直是一个难题。

数字全息术（Digital Holography）作为一种干涉测量技术在微米尺度具有极佳的动态三维成像能力，再加上它非接触无损成像的特性，近年来被广泛应用于软物质的三维表征。

来自意大利国家研究理事会-应用科学与智能系统研究所（CNR-ISASI）的 Pietro Ferraro 博士和那不勒斯费德里克二世大学的 Pier Luca Maffettone 教授共同领导团队以“Digital holography as metrology tool at micro-nanoscale for soft matter”为题在 Light: Advanced Manufacturing 发表了一篇综述文章，系统地介绍了数字全息术在软物质测量的中的应用与创新，并针对不同物化特性的软物质给出了数字全息测量的参考方案。

1. 薄膜厚度分布的数字全息表征

与我们日常生活最接近的例子就是如何定量化妆品的用量：“这个乳液好不好推开”，答案往往是因人因量而异的。但是从护肤品研发角度来说，研究人员需要知道特定容积的乳液形成均匀薄膜时的平均厚度，这样就可以控制涂抹之后的皮肤感受和吸收量，创造更好的使用体验。

图 1：不同运动状态下薄膜的实时全息测厚结果，数字全息可以适用于多种薄膜测量场景

而数字全息术便是实现对于薄膜厚度定量三维测量的关键。在这篇综述中，作者们首先回顾了数字全息数在薄膜厚度分布测量中的基本成像系统和方法，其后介绍了不同物质、不同演化方式的薄膜厚度测量方案。常规的薄膜测厚是由干涉计量完成的，例如白光干涉计量。但是这种方法往往只能对厚度较薄且分布均匀的薄膜实现准确测量。数字全息术并不会受到这些限制。对于大部分厚度在毫米级以下的透明或半透明薄膜，数字全息都可以有效地记录并重建出膜厚分布。

图 2：表面活性剂薄膜的数字全息与白光干涉测量平行对比实验。在薄膜厚度分布较为复杂的情况下，数字全息术可以有效地揭示膜厚分布

2. 微纳制造过程的全息监控

现代制造业已经开始向小型化、智能化转型，来势汹汹的新冠疫情也刺激了“片上实验室”（Lab on a chip）技术的发展。对于具有微纳结构的软物质而言，在加工制造过程中往往要求更加精确的定量观测。数字全息术具有强大的纳米-微米级三维成像能力，因此非常适合作为现代微纳加工过程中的“观测手”。

图 3：热释电喷射打印过程的全息监控。利用数字全息术的三维成像能力，对热释电聚合物喷射头进行运动追踪，以实现对打印过程的闭环控制

在这篇综述的第二部分，作者们介绍了基于数字全息监控实现的闭环热释电喷射打印、微透镜制造、微流控通道成型和细胞支架光加工技术。在热释电喷射打印中，数字全息术可以用于追踪和定位聚合物椎体，保证喷射加工过程“指哪打哪”；在微透镜和微流控通道的加工制造中，全息术被用于检查对象形貌和质量，实现精确品控；在细胞支架的光加工过程中，数字全息被用于定量观测光固化过程，为细胞打造一个舒适的家。

3. 全息微粒示踪

除了薄膜和聚合物材料以外，软物质还包括胶体和颗粒物等。从燃烧产生的煤烟到海洋中的微塑料颗粒，数字全息技术能帮助我们更好地观测这些颗粒成分。得益于全息成像的数值衍射传播过程，可以通过特定算法从一张数字全息图中重建出整个空间中的颗粒分布信息。这同时也引出了数字全息术的另一个重要特点，即为“光场测量”能力。

图 4：利用数字全息术对薄膜中的微粒进行三维示踪

在综述的最后一部分，作者们对基于数字全息术的软物质应力应变测量和三维颗粒测量进行了介绍。最经典的全息颗粒测量技术无异于同轴全息米氏分析法（Lorenz-Mie analysis），它可以实现对于空间中大量微粒的三维定位和示踪。除此以外，离轴数字全息也被用于实现跨尺度微粒追踪，但是它只适用于颗粒浓度较低的空间。近年来，机器学习的兴起极大地促进了全息微粒示踪技术的发展，基于机器学习的数字全息重建过程进一步提高了成像分辨率和定位精度。

4. 结语

毫无疑问，数字全息术正是打开软物质世界大门的钥匙。那些复杂多变的软物质微纳结构，将借助全息成像之眼被世人了解。从列文虎克利用显微镜首次观测微生物至今，三百多年的时光并没有磨灭我们对于微观世界的好奇心。而基于数字全息术的软物质表征将帮助我们更好地研究和学习这位伴随人类社会千年发展的老朋友。

论文信息

Wang et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:10

https://doi.org/10.37188/lam.2022.010