原创 果壳硬科技 我是科学家iScientist
从肥皂泡到聚合物，软物质伴随人类走过了无数个世纪。过去十年间，工业4.0的新范式引入了新型技术和加工材料的方法，例如直接印刷、3D打印和其他自下而上的制造工艺。这些技术预计在未来会参与全新的产品制造方法，并且大多数创新的制造工艺将会以纳米尺度上形成的软物质操作为基础。因此，高精度的软物质定量表征成为了开启未来制造加工和技术大门的关键。
今年二月在《光: 先进制造》期刊上发表的一篇论文中，由意大利国家研究委员会（CNR）应用科学与智能系统研究所（ISASI）的Pietro Ferraro博士和那不勒斯腓特烈二世大学的Pier Luca Maffettone教授带领的科学家团队，综述了重要的研究案例，以证明数字全息术 (DH) 测量软物质结构和相关制造技术的能力——该文章首次对这一引人入胜的研究领域进行了全面的概述，其中三维成像和精确测量被合并为单一的计量工具来研究软物质的不同应用。
数字全息术可以在不同的场景下进行薄膜厚度的测量 | 参考文献 [2]
这篇综述分三个部分系统性地阐述了 DH 技术在软物质测量中的应用和发展，并描述和讨论了不同类型的具有挑战性的实例，包括薄液膜和薄膜、喷墨打印工艺、聚合物和液体的自组装过程、微流体流变学以及固液界面研究。作者表明，运用DH在实时或原位 (in situ) 的情景下进行3D动态监测能够实现定量测量和准确的软物质定量表征。
在文章的第一部分，作者介绍了DH技术在薄膜测量中的应用，并探讨了该技术测量动态过程的可行性、常用的 DH 记录几何学以及用以检索薄膜厚度的策略。接着一系列实验数据表明DH 对不同材料和不同运动状态下的薄膜也具有强大的表征能力。
与此同时，第一部分还展示了DH 与白光干涉测量术 （WLI）的并行测量结果。WLI和DH的结合使得高精度的实时厚度测量成为可能，并同时扩大视场 （FoV）和范围。在第一部分的结尾，作者还展示了利用高速 CMOS 摄像机对薄膜破裂过程进行厚度映射，为首次利用全息技术模拟薄膜破裂的过程奠定了基础。
在第二部分，作者展示了DH如何用于喷墨打印、3D打印和先进的制造技术。利用DH的非接触、非破坏和实时的测量能力，微-纳米制作方法的定量控制得以实现。一个典型的例子是用DH监测系连火法静电纺丝 (TPES) 的过程。作者首次演示了聚合物锥和串珠 (BOAS) 的全息三维追踪，而这将允许可视化和定量分析电纺聚合物纤维的复杂制作过程。
此外，文章还讨论了由EDH喷墨打印所制的自组装液体微透镜和聚合物透镜的全息表征过程。根据这些透镜的实时三维形态，可以达成高精度的制造工艺。事实上在一定条件下，DH可以用来测量大多数透明或半透明的软物质。除了上述例子外，作者还综述了DH在微通道、微支架、双光子聚合和表面起伏光栅等制作方法中的应用。
数字全息术对不同厚度、不同表面形貌的透明液体薄膜的测量具有良好的适应性 | 参考文献 [2]
最后，作者演示了DH在广义软物质测量中的应用。实际上，DH重建过程中的数字重聚焦能够揭示出与目标光束照射方向正交的多层信息，而这将允许在记录视野中三维定位和追踪移动的物体。在此，作者同时综述了DH 监测机械应力以及三维跟踪微粒的能力。结果表明，DH 是一种功能强大、灵活的测量工具，可用于多种场景下的测量需求。此外，作者还讨论了结合DH与深度学习来进行粒子跟踪，从而有效提高 DH 在相关测量中的精度和范围。
这篇论文对相关研究成果的综述表明，DH在许多具有挑战性的情况下表现稳健，并在保有上述优秀特征的同时，无需频繁校准。作者认为，DH固有的三维成像能力和定量分析使其在软物质和先进制造工艺领域具有广阔的应用前景。
参考文献
[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
编译：张明宇
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：Flickr，Vu Hoang / CC BY-SA 2.0（https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/）
研究团队
通讯作者 Pietro Ferraro: 意大利国家研究委员会 （CNR）应用科学与智能系统研究所（ISASI）主任，那不勒斯腓特烈二世大学物理学博士。
第一作者 Zhe Wang: 那不勒斯腓特烈二世大学化学、材料与工业生产工程系博士后。
论文信息
发布期刊 《光: 先进制造》Light: Advanced Manufacturing
发布时间 2022年2月18日
论文标题Digital holography as metrology tool at micro-nanoscale for soft matter
(DOI: https://doi.org/10.37188/lam.2022.010)
原标题：《数字全息技术：从泡沫到塑料，精准阐明软物质的特性》