軟物質(zhì)（Soft Matter）是一門獨(dú)特的研究領(lǐng)域，它常用來(lái)概括膠體、高分子、泡沫、薄膜、顆粒物質(zhì)和生物材料等對(duì)象。這些對(duì)象的物理結(jié)構(gòu)往往在微米/亞微米級(jí)，既不屬于原子/分子級(jí)的微觀尺度，也不屬于常規(guī)的宏觀尺度（米）。因此對(duì)軟物質(zhì)對(duì)象的定量實(shí)時(shí)測(cè)量與表征一直是一個(gè)難題。

數(shù)字全息術(shù)（Digital Holography）作為一種干涉測(cè)量技術(shù)在微米尺度具有極佳的動(dòng)態(tài)三維成像能力，再加上它非接觸無(wú)損成像的特性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于軟物質(zhì)的三維表征。

來(lái)自意大利國(guó)家研究理事會(huì)-應(yīng)用科學(xué)與智能系統(tǒng)研究所（CNR-ISASI）的 Pietro Ferraro 博士和那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)的 Pier Luca Maffettone 教授共同領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)以“Digital holography as metrology tool at micro-nanoscale for soft matter”為題在 Light: Advanced Manufacturing 發(fā)表了一篇綜述文章，系統(tǒng)地介紹了數(shù)字全息術(shù)在軟物質(zhì)測(cè)量的中的應(yīng)用與創(chuàng)新，并針對(duì)不同物化特性的軟物質(zhì)給出了數(shù)字全息測(cè)量的參考方案。

1. 薄膜厚度分布的數(shù)字全息表征

與我們?nèi)粘Ｉ钭罱咏睦泳褪侨绾味炕瘖y品的用量：“這個(gè)乳液好不好推開(kāi)”，答案往往是因人因量而異的。但是從護(hù)膚品研發(fā)角度來(lái)說(shuō)，研究人員需要知道特定容積的乳液形成均勻薄膜時(shí)的平均厚度，這樣就可以控制涂抹之后的皮膚感受和吸收量，創(chuàng)造更好的使用體驗(yàn)。

圖 1：不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下薄膜的實(shí)時(shí)全息測(cè)厚結(jié)果，數(shù)字全息可以適用于多種薄膜測(cè)量場(chǎng)景

而數(shù)字全息術(shù)便是實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄膜厚度定量三維測(cè)量的關(guān)鍵。在這篇綜述中，作者們首先回顧了數(shù)字全息數(shù)在薄膜厚度分布測(cè)量中的基本成像系統(tǒng)和方法，其后介紹了不同物質(zhì)、不同演化方式的薄膜厚度測(cè)量方案。常規(guī)的薄膜測(cè)厚是由干涉計(jì)量完成的，例如白光干涉計(jì)量。但是這種方法往往只能對(duì)厚度較薄且分布均勻的薄膜實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。數(shù)字全息術(shù)并不會(huì)受到這些限制。對(duì)于大部分厚度在毫米級(jí)以下的透明或半透明薄膜，數(shù)字全息都可以有效地記錄并重建出膜厚分布。

圖 2：表面活性劑薄膜的數(shù)字全息與白光干涉測(cè)量平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在薄膜厚度分布較為復(fù)雜的情況下，數(shù)字全息術(shù)可以有效地揭示膜厚分布

2. 微納制造過(guò)程的全息監(jiān)控

現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)開(kāi)始向小型化、智能化轉(zhuǎn)型，來(lái)勢(shì)洶洶的新冠疫情也刺激了“片上實(shí)驗(yàn)室”（Lab on a chip）技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于具有微納結(jié)構(gòu)的軟物質(zhì)而言，在加工制造過(guò)程中往往要求更加精確的定量觀測(cè)。數(shù)字全息術(shù)具有強(qiáng)大的納米-微米級(jí)三維成像能力，因此非常適合作為現(xiàn)代微納加工過(guò)程中的“觀測(cè)手”。

圖 3：熱釋電噴射打印過(guò)程的全息監(jiān)控。利用數(shù)字全息術(shù)的三維成像能力，對(duì)熱釋電聚合物噴射頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)追蹤，以實(shí)現(xiàn)對(duì)打印過(guò)程的閉環(huán)控制

在這篇綜述的第二部分，作者們介紹了基于數(shù)字全息監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)熱釋電噴射打印、微透鏡制造、微流控通道成型和細(xì)胞支架光加工技術(shù)。在熱釋電噴射打印中，數(shù)字全息術(shù)可以用于追蹤和定位聚合物椎體，保證噴射加工過(guò)程“指哪打哪”；在微透鏡和微流控通道的加工制造中，全息術(shù)被用于檢查對(duì)象形貌和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)精確品控；在細(xì)胞支架的光加工過(guò)程中，數(shù)字全息被用于定量觀測(cè)光固化過(guò)程，為細(xì)胞打造一個(gè)舒適的家。

3. 全息微粒示蹤

除了薄膜和聚合物材料以外，軟物質(zhì)還包括膠體和顆粒物等。從燃燒產(chǎn)生的煤煙到海洋中的微塑料顆粒，數(shù)字全息技術(shù)能幫助我們更好地觀測(cè)這些顆粒成分。得益于全息成像的數(shù)值衍射傳播過(guò)程，可以通過(guò)特定算法從一張數(shù)字全息圖中重建出整個(gè)空間中的顆粒分布信息。這同時(shí)也引出了數(shù)字全息術(shù)的另一個(gè)重要特點(diǎn)，即為“光場(chǎng)測(cè)量”能力。

圖 4：利用數(shù)字全息術(shù)對(duì)薄膜中的微粒進(jìn)行三維示蹤

在綜述的最后一部分，作者們對(duì)基于數(shù)字全息術(shù)的軟物質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量和三維顆粒測(cè)量進(jìn)行了介紹。最經(jīng)典的全息顆粒測(cè)量技術(shù)無(wú)異于同軸全息米氏分析法（Lorenz-Mie analysis），它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于空間中大量微粒的三維定位和示蹤。除此以外，離軸數(shù)字全息也被用于實(shí)現(xiàn)跨尺度微粒追蹤，但是它只適用于顆粒濃度較低的空間。近年來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)的興起極大地促進(jìn)了全息微粒示蹤技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字全息重建過(guò)程進(jìn)一步提高了成像分辨率和定位精度。

4. 結(jié)語(yǔ)

毫無(wú)疑問(wèn)，數(shù)字全息術(shù)正是打開(kāi)軟物質(zhì)世界大門的鑰匙。那些復(fù)雜多變的軟物質(zhì)微納結(jié)構(gòu)，將借助全息成像之眼被世人了解。從列文虎克利用顯微鏡首次觀測(cè)微生物至今，三百多年的時(shí)光并沒(méi)有磨滅我們對(duì)于微觀世界的好奇心。而基于數(shù)字全息術(shù)的軟物質(zhì)表征將幫助我們更好地研究和學(xué)習(xí)這位伴隨人類社會(huì)千年發(fā)展的老朋友。

論文信息

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

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