3D-printede overflader inspireret af naturen

For at overleve i ekstreme levesteder har mange dyr og planter udviklet strålende evner, som vi ellers kun kender fra superhelte i film. I de fleste tilfælde er deres evner baseret på de ekstraordinære egenskaber ved deres overflader. At efterligne disse egenskaber giver et enormt potentiale inden for ingeniørområdet til at udvikle nye produkter og løse tekniske problemer. Det er lykkedes forskerhold fra Bochum og Kiel at efterligne den strukturelle farve af de berømte blå Morpho-sommerfugle ved hjælp af en højpræcisions 3D-printteknologi, der kaldes to-foton polymerisation (2PP). Forskerne præsenterer deres nyeste resultater i et papir offentliggjort i Journal of Optical Microsystems den 2. september 2022.

Undersøgelsen inden for biomimetik blev udført af forskere fra Applied Laser Technologies ved Ruhr-Universität Bochum (RUB), ledet af professor Andreas Ostendorf og professor Cemal Esen, og fra Functional Morphology and Biomechanics-gruppen ved Kiel University (CAU), ledet af professor Stanislav Gorb.

3D-print af biologisk inspirerede juletræer

2PP er en laserbaseret printteknologi, der tillader behandling af lysfølsomme harpikser i alle tre dimensioner. I modsætning til konventionelle printteknikker er det således muligt at skabe komplekse og ægte 3D-strukturer ved hjælp af virtuelle computermodeller uden behov for støttestrukturer. Derudover muliggør 2PP høj opløsning, da enkelte strukturelle funktioner kan måle en størrelse ned til 100 nanometer. Dette tal svarer nogenlunde til en tusindedel af tykkelsen af ​​menneskehår.

3D-printegenskaberne i 2PP gjorde det muligt for forskerne at producere hierarkisk sammensatte strukturer på mikro- og nanometerskalaen. På denne måde var de i stand til at efterligne den strukturelle farve af de blå Morpho sommerfugle, inklusive deres ekstraordinære optiske egenskaber. Farven på sommerfuglene er dannet af små juletræslignende strukturer på deres øvre vingeoverflade. Desuden gør komplekse fysiske fænomener mellem lyset og juletræerne det muligt at observere den blå farve som næsten vinkelufølsom. "Dette er meget overraskende, fordi strukturelle farver normalt virker iriserende som en regnbue, når den genereres af lignende fysiske fænomener, såsom brydning, for eksempel," siger RUB-forsker Gordon Zyla.

Biologisk inspirerede strukturelle farver til anti-forfalskning

I deres nuværende arbejde, offentliggjort i Journal of Optical Microsystems , præsenterer forskerne et vellykket redesign af deres sommerfugle-inspirerede strukturer fra tidligere publikationer. Redesignerne gjorde det muligt for dem at observere den resulterende vinkelufølsomme blå farve ensartet eller kun fra bestemte retninger. Til dette formål analyserede de først de optiske egenskaber og morfologien af ​​vingeoverfladen på en Morpho didius sommerfugl på CAU. Baseret på deres resultater udledte de, at de kan kontrollere retningen, som den vinkelufølsomme farve vises i, ved kun at ændre geometrien af ​​deres hierarkisk sammensatte strukturer på mikroskalaen, mens de stadig efterligner sommerfuglens strukturer på nanoskalaen.

De nye designs, der er foreslået af forfatterne, er f.eks. egnede til fremstilling af meget komplekse funktioner til bekæmpelse af forfalskning. Samlet set viser deres forskning det store potentiale i 2PP-teknologien til brug i biomimetik. I denne sammenhæng antager forfatterne, at en lang række funktionelle strukturer fra naturen kunne efterlignes ved hjælp af 2PP i kombination med nye lysfølsomme materialer. Således kunne andre superkræfter, der findes i organismer, også gøres tilgængelige for forskellige tekniske applikationer. Disse er for eksempel forbedret vedhæftning og slidstyrke på forskellige overflader, superhydrofobicitet, almindeligvis omtalt som lotuseffekten, eller andre farver, der bruges i naturen som advarselssignaler, camouflage eller intraseksuel kommunikation. + Udforsk yderligere

Brug af sommerfuglemorfologi til 3D-print af farvede nanostrukturer