Farveeffekter fra gennemsigtige 3D-trykte nanostrukturer

De fleste af de objekter, vi ser, er farvet af pigmenter, men brug af pigmenter har ulemper:sådanne farver kan falme, industrielle pigmenter er ofte giftige, og visse farveeffekter er umulige at opnå. Den naturlige verden, imidlertid, udviser også strukturel farve, hvor mikrostrukturen af ​​et objekt får forskellige farver til at vises. Påfuglefjer, for eksempel, er pigmenteret brun, men - på grund af lange hulninger i fjerene - afspejler det smukke, iriserende blues og greener vi ser og beundrer. Nylige teknologiske fremskridt har gjort det praktisk at fremstille den slags nanostrukturer, der resulterer i strukturel farve, og dataloger fra Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) og King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) har nu skabt et beregningsværktøj, der automatisk opretter 3D-printskabeloner til nanostrukturer, der svarer til brugerdefinerede farver. Deres arbejde demonstrerer det store potentiale for strukturel farvning i industrien, og åbner muligheder for ikke-eksperter for at skabe deres egne designs. Dette projekt vil blive præsenteret på årets bedste computergrafikonference, SIGGRAPH 2018, af første forfatter og IST Austria postdoc Thomas Auzinger.

En kamæleons skiftende farver og den iriserende blues og greener på morpho -sommerfuglen, blandt mange andre i naturen, er resultatet af strukturel farve, hvor nanostrukturer forårsager interferensvirkninger i lys, resulterer i en række farver, når de ses makroskopisk. Strukturel farve har visse fordele i forhold til farvning med pigmenter (hvor bestemte bølgelængder absorberes), men indtil for nylig, grænserne for teknologi betød at fremstille sådanne nanostrukturer krævede højt specialiserede metoder. Nye "direkte laserskrivning" -opsætninger, imidlertid, koster omtrent lige så meget som en industriel 3D-printer i høj kvalitet, og tillade udskrivning i størrelsesordenen hundredvis af nanometer (100 - 1000 gange tyndere end et menneskehår), åbner muligheder for forskere for at eksperimentere med strukturel farve.

Indtil nu, forskere har primært eksperimenteret med nanostrukturer, som de havde observeret i naturen, eller med enkle, almindelige nanostrukturelle designs (f.eks. række efter række med søjler). Thomas Auzinger og Bernd Bickel fra IST Austria, sammen med Wolfgang Heidrich fra KAUST, imidlertid, tog en innovativ ny tilgang, der adskiller sig på flere centrale måder. Først, de løser den omvendte designopgave:brugeren indtaster den farve, de vil replikere, og derefter opretter computeren et nanostrukturmønster, der giver den farve, frem for at forsøge at gengive strukturer, der findes i naturen. I øvrigt, "vores designværktøj er helt automatisk, "siger Thomas Auzinger." Der kræves ingen ekstra indsats fra brugerens side. "

Sekund, nanostrukturer i skabelonen følger ikke et bestemt mønster eller har en regelmæssig struktur; de ser ud til at være tilfældigt sammensatte - et radikalt brud fra tidligere metoder, men en med mange fordele. "Når jeg ser på skabelonen produceret af computeren, kan jeg ikke ved strukturen alene se, om jeg ser et mønster for blå eller rød eller grøn, "forklarer Auzinger." Men det betyder, at computeren finder løsninger, som vi, som mennesker, kunne ikke. Denne friformsstruktur er ekstremt kraftfuld:den giver større fleksibilitet og åbner muligheder for yderligere farveeffekter. "F.eks. deres designværktøj kan bruges til at udskrive en firkant, der ser rød ud fra en vinkel, og blå fra en anden (kendt som retningsfarvning).

Endelig, tidligere bestræbelser er også snuble, når det kom til egentlig fabrikation:designene var ofte umulige at udskrive. Det nye designværktøj, imidlertid, garanterer, at brugeren ender med en udskrivbar skabelon, hvilket gør det ekstremt nyttigt til den fremtidige udvikling af strukturel farvning i industrien. "Designværktøjet kan bruges til at prototype nye farver og andre værktøjer, samt at finde interessante strukturer, der kunne produceres industrielt, "tilføjer Auzinger. Indledende test af designværktøjet har allerede givet succesfulde resultater." Det er fantastisk at se noget, der udelukkende består af klare materialer, fremstår farvet, simpelthen på grund af strukturer, der er usynlige for det menneskelige øje, "siger Bernd Bickel, professor ved IST Austria. "Vi er ivrige efter at eksperimentere med yderligere materialer, at udvide rækkevidden af ​​effekter, vi kan opnå. "

"Det er særligt spændende at være vidne til den voksende rolle, som beregningsværktøjer spiller i fremstilling, "slutter Auzinger, "og endnu mere spændende at se udvidelsen af ​​'computergrafik' til at omfatte fysiske såvel som virtuelle billeder."