玻璃因其光学透明、耐热耐化学、热膨胀系数低等特点而用途广泛。除了在建筑、消费品、光学和艺术的应用外，玻璃也更多的体现在专业用途，如通信光纤，衍射光学，以及用于生化芯片上的实验设备等。随着专业化程度的提高，人们对玻璃材料的几何形状、尺寸、光学和机械性能的要求也越来越高，在此背景下，传统的加工方法受到了挑战

　　近日，加州大学伯克利分校Joseph T. Toombs和Hayden K. Taylor等人开发了一种熔融二氧化硅元件的微尺度轴向计算光刻技术(micro-CAL)，方法是对光致聚合物-二氧化硅纳米复合材料进行层析成像照射然后烧结。利用这种技术，研究者制作了内径为150 μm的3D微流体，表面粗糙度为6 nm的自由曲面微光学元件，以及最小特征尺寸为50 μm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。相关工作以“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”为题发表在最新一期的《Science》，并选为当期封面。

　　研究者首先介绍了玻璃纳米复合材料的体积增材制造(VAM)。VAM是将整个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。在此基础上，研究者引入计算轴向光刻(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，将材料聚合成三维结构(图1A)。

　　为寻求微尺度特征，研究者构建了一个“micro-CAL”装置(图1B)，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，并对数字微镜装置所定义的光图进行退焦。micro-CAL系统能够分别在聚合物和熔融石英玻璃中快速打印最小特征尺寸为20和50 μm的微结构(在大约30到90秒内) (图1D、E)。

　　对于熔融二氧化硅，研究者使用了具有高透明度的光固化微立体光刻(μSL) v2.0纳米复合材料(图2A)，高固含量纳米复合材料在23℃时的零剪切粘度为10 Pa·s，在中等剪切速率(1 ~ 100 s-1)下表现出触变剪切减薄特性，在高剪切速率(100 s-1)下表现出剪切增厚特性。此外，研究者在纳米复合材料中加入不同浓度的TEMPO，并进行实时紫外(UV)傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析，以确定TEMPO浓度对抑制时间的影响(图2B)。结果表明TEMPO的加入增加了诱导期的持续时间，对聚合动力学和最大转化率的影响很小。与没有TEMPO的纳米复合材料相比，TEMPO降低了立方体笼内空隙的转化率，并且更容易去除未固化的材料(图2,D和E)。这一改进使得在μSL v2.0材料中能够制造出各种几何形状，特征尺寸低至50 μm(图3)。在纯单体树脂前驱体中，可以实现了更小的特征尺寸，低至20 μm(图3,I到L)。

　　与SLA、DLW和熔融灯丝制造相比，CAL是基于体积制造的，这意味着无需支撑材料，可以在任何方向上创建复杂的、低相对密度的点阵和桁架结构(图3B到D和4A)。研究者使用透明熔融石英玻璃制作了四十面体晶格，其支柱元件直径约为100 μm(图3E)。对于微观结构取向至关重要的特定应用，CAL消除了使用其他AM技术在某些打印取向中可能出现的分层缺陷。

　　micro-CAL可以产生明显更小的缺陷和整体光滑的表面。三点弯曲力学测试显示，不同AM模态的平均断裂应力无统计学差异(图4A)。此外，micro-CAL打印梁的威布尔模量明显高于SLA打印梁(图4B)，说明CAL打印构件的断裂强度分布更为紧密。

　　此外，力学测试表明，micro-CAL可以生产复杂的、高强度的熔融二氧化硅组件，与其他AM模式相比具有更高的可靠性。在未来，micro-CAL可用于研究新型高强晶格。

　　利用micro-CAL，研究者实现了可灌注的分支三维微流体的快速自由成形，其具有低表面粗糙度、高透明度，通道直径和壁厚分别低至150和85 μm(图4、D和E)。这些性质表明，micro-CAL在制备微反应器方面具有潜力，对并行药物筛选和高度可控的流程合成具有重要意义。

　　这项工作所开发的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。通过光学工程和专业的光致聚合物开发，研究者建立了一个玻璃制造框架模式，该技术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。