玻璃，作为制造复杂微观几何形状的材料越来越受欢迎，从紧凑型消费品的微光学到用于化学合成和生物分析的微流体系统。随着玻璃尺寸、几何形状、表面粗糙度和力学强度要求的发展，传统的加工方法受到了挑战。
在此，来自美国加州大学伯克利分校的JOSEPH T. TOOMBS & HAYDENK. TAYLOR 等研究者，通过层析成像照射然后烧结的光致聚合物-二氧化硅纳米复合材料，介绍了熔融二氧化硅元件的微尺度轴向计算光刻技术(micro-CAL)。相关论文以题为“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”发表在Science上。与此同时，该篇文章被选为同期《Science》的封面文章。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6459
玻璃，因其光学透明、耐热耐化学、热膨胀系数低等特点，用途广泛。在建筑、消费产品、光学系统和艺术中建立的应用已经加入了专业用途，如通信中的光纤，增强现实中的衍射光学，以及用于化学和生物分析的芯片上的实验室设备等。随着专业化程度的提高，对几何形状、尺寸、光学和机械性能的要求也越来越高。增材制造(AM)已成为一种有前途的技术，以满足具有挑战性的新组合的要求。目前，玻璃材料的AM已经可以通过众多方法实现，诸如：熔融玻璃熔融灯丝制造、纯玻璃粉末选择性激光熔化、硅溶胶-凝胶油墨直接墨刻写、立体光刻(SLA)和分散在光可聚合有机液体中的硅纳米复合材料的多光子直接激光刻写(DLW)。
然而，这些方法都采用了连续的材料沉积或转换，限制了几何自由。分层引起的缺陷也会影响打印物体的光学和机械性能。在此，研究者提出了玻璃纳米复合材料的体积AM (VAM)。VAM描述的是将整个三维(3D)物体同时聚合在大量的原始材料中，从而避免了一层一层地构建物体的需要。基于全息曝光、正交叠加和层析原理的VAM方法，是通过专门的光学工程和光聚物合成实现的。计算轴向光刻(CAL)的层析成像技术，通过时间多路曝光的迭代优化光投影的方位叠加聚合三维结构(图1A)。在玻璃纳米复合材料的加工中，CAL具有许多优点。在打印过程中，前驱体材料和被制造的物体之间不会发生相对运动，因此，可以很容易地使用高粘度和触变的纳米复合材料前驱体。该工艺的无层性质使光滑的表面和复杂的几何形状。由于在打印过程中所制造的物体被前驱体材料包围，因此不需要牺牲固体支撑结构。这些特性对于包括微光学元件和微流体的应用都是理想的。
图1 用micro-CAL印刷透明熔融石英玻璃。
在此，研究者寻求微尺度特征的产生，因此，构建了一个“micro-CAL”仪器(图1B)，该仪器将激光光源耦合到具有小模场尺寸和低数值孔径的光纤中，并将数字微镜装置定义的光模式衰减。这种设计最小化了系统的作用域，因此，产生了光线的发散和模糊。研究者用调制传递函数(MTF)来测量光学分辨率，MTF是完整光学系统的对比度，传递水平作为空间频率的函数。
借助以上技术，研究者制作了内径为150微米的三维微流体，表面粗糙度为6纳米的自由曲面微光学元件，以及最小特征尺寸为50微米的复杂高强度桁架和晶格结构。micro-CAL作为一种高速、无层的数字化轻制造工艺，可以加工高固含量、高几何自由度的纳米复合材料，实现了新的器件结构和应用。
图2 纳米复合和烧结二氧化硅材料的表征。
图3 CAL-打印玻璃结构。
图4 玻璃CAL-打印微结构的应用。
综上所述，研究者开发的micro-CAL 系统，可以在聚合物中制造最小特征尺寸为20 μm的结构，在熔融二氧化硅中制造最小特征尺寸为50 μm的结构，在熔融二氧化硅中具有优异的几何自由度、低表面粗糙度、高断裂强度和高光学透明度。通过光学工程和专门的光致聚合物开发，研究者已经建立了一个玻璃制造框架，将简单的二氧化硅纳米复合材料加工与无层VAM相结合，可以推进机械超材料、3D微流体和自由光学的研究和工业应用。 （文： 水生 ）
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