從肥皂泡到聚合物，軟物質伴随人類走過了無數個世紀。過去十年間，工業4.0的新範式引入了新型技術和加工材料的方法，例如直接印刷、3D列印和其他自下而上的制造技術。這些技術預計在未來會參與全新的産品制造方法，并且大多數創新的制造技術将會以納米尺度上形成的軟物質操作為基礎。是以，高精度的軟物質定量表征成為了開啟未來制造加工和技術大門的關鍵。
今年二月在《光: 先進制造》期刊上發表的一篇論文中，由意大利國家研究委員會（CNR）應用科學與智能系統研究所（ISASI）的Pietro Ferraro博士和那不勒斯腓特烈二世大學的Pier Luca Maffettone教授帶領的科學家團隊，綜述了重要的研究案例，以證明數字全息術 (DH) 測量軟物質結構和相關制造技術的能力——該文章首次對這一引人入勝的研究領域進行了全面的概述，其中三維成像和精确測量被合并為單一的計量工具來研究軟物質的不同應用。
數字全息術可以在不同的場景下進行薄膜厚度的測量 | 參考文獻 [2]
這篇綜述分三個部分系統性地闡述了 DH 技術在軟物質測量中的應用和發展，并描述和讨論了不同類型的具有挑戰性的執行個體，包括薄液膜和薄膜、噴墨列印工藝、聚合物和液體的自組裝過程、微流體流變學以及固液界面研究。作者表明，運用DH在實時或原位 (in situ) 的情景下進行3D動态監測能夠實作定量測量和準确的軟物質定量表征。
在文章的第一部分，作者介紹了DH技術在薄膜測量中的應用，并探讨了該技術測量動态過程的可行性、常用的 DH 記錄幾何學以及用以檢索薄膜厚度的政策。接着一系列實驗資料表明DH 對不同材料和不同運動狀态下的薄膜也具有強大的表征能力。
與此同時，第一部分還展示了DH 與白光幹涉測量術 （WLI）的并行測量結果。WLI和DH的結合使得高精度的實時厚度測量成為可能，并同時擴大視場 （FoV）和範圍。在第一部分的結尾，作者還展示了利用高速 CMOS 錄影機對薄膜破裂過程進行厚度映射，為首次利用全息技術模拟薄膜破裂的過程奠定了基礎。
在第二部分，作者展示了DH如何用于噴墨列印、3D列印和先進的制造技術。利用DH的非接觸、非破壞和實時的測量能力，微-納米制作方法的定量控制得以實作。一個典型的例子是用DH監測系連火法靜電紡絲 (TPES) 的過程。作者首次示範了聚合物錐和串珠 (BOAS) 的全息三維追蹤，而這将允許可視化和定量分析電紡聚合物纖維的複雜制作過程。
此外，文章還讨論了由EDH噴墨列印所制的自組裝液體微透鏡和聚合物透鏡的全息表征過程。根據這些透鏡的實時三維形态，可以達成高精度的制造技術。事實上在一定條件下，DH可以用來測量大多數透明或半透明的軟物質。除了上述例子外，作者還綜述了DH在微通道、微支架、雙光子聚合和表面起伏光栅等制作方法中的應用。
數字全息術對不同厚度、不同表面形貌的透明液體薄膜的測量具有良好的适應性 | 參考文獻 [2]
最後，作者示範了DH在廣義軟物質測量中的應用。實際上，DH重建過程中的數字重聚焦能夠揭示出與目标光束照射方向正交的多層資訊，而這将允許在記錄視野中三維定位和追蹤移動的物體。在此，作者同時綜述了DH 監測機械應力以及三維跟蹤微粒的能力。結果表明，DH 是一種功能強大、靈活的測量工具，可用于多種場景下的測量需求。此外，作者還讨論了結合DH與深度學習來進行粒子跟蹤，進而有效提高 DH 在相關測量中的精度和範圍。
這篇論文對相關研究成果的綜述表明，DH在許多具有挑戰性的情況下表現穩健，并在保有上述優秀特征的同時，無需頻繁校準。作者認為，DH固有的三維成像能力和定量分析使其在軟物質和先進制造技術領域具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] https://www.eurekalert.org/news-releases/944551
[2] Wang, Z., Miccio, L., Coppola, S., Bianco, V., Memmolo, P., Tkachenko, V., Ferraro, V., Maio, E. D., Maffettone, P. L., & Ferraro, P. (2022). Digital holography as metrology tool at micro-nanoscale for soft matter. Light: Advanced Manufacturing, 3(1), 1–26. https://doi.org/10.37188/lam.2022.010
編譯：張明宇
編輯：酥魚
排版：尹甯流
題圖來源：Flickr，Vu Hoang / CC BY-SA 2.0（https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/）
研究團隊
通訊作者Pietro Ferraro: 意大利國家研究委員會 （CNR）應用科學與智能系統研究所（ISASI）主任，那不勒斯腓特烈二世大學實體學博士。
第一作者Zhe Wang: 那不勒斯腓特烈二世大學化學、材料與工業生産工程系博士後。
論文資訊
釋出期刊《光: 先進制造》Light: Advanced Manufacturing
釋出時間2022年2月18日
論文标題
Digital holography as metrology tool at micro-nanoscale for soft matter
(DOI: https://doi.org/10.37188/lam.2022.010)
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