Forskere efterligner naturen for hurtigt, farverig 3-D print

Strålende farvede kamæleoner, sommerfugle, opaler - og nu nogle 3-D-printede materialer - reflekterer farver ved at bruge nanoskalastrukturer kaldet fotoniske krystaller.

En ny undersøgelse, der viser, hvordan en modificeret 3-D-printproces giver en alsidig tilgang til at producere flere farver fra et enkelt blæk, er offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Nogle af de mest levende farver i naturen kommer fra et nanoskalafænomen kaldet strukturel farve. Når lysstråler reflekteres fra disse periodisk placerede strukturer placeret i vinger og skind på nogle dyr og i nogle mineraler, de interfererer konstruktivt med hinanden for at forstærke visse bølgelængder og undertrykke andre. Når strukturerne er velordnet og små nok - omkring tusind gange mindre end et menneskehår, sagde forskerne - strålerne producerer et levende farveudbrud.

"Det er udfordrende at gengive disse livlige farver i de polymerer, der bruges til at producere emner som miljøvenlig maling og meget selektive optiske filtre, " sagde studieleder Ying Diao, en kemisk og biomolekylær ingeniørprofessor ved University of Illinois i Urbana-Champaign. "Nøjagtig kontrol af polymersyntese og -bearbejdning er nødvendig for at danne de utroligt tynde, ordnede lag, der producerer den strukturelle farve, som vi ser i naturen."

Undersøgelsen rapporterer, at ved omhyggeligt at justere samlingsprocessen af ​​unikt strukturerede flaskebørsteformede polymerer under 3-D-print, det er muligt at printe fotoniske krystaller med justerbare lagtykkelser, der reflekterer det synlige lysspektrum fra en enkelt blæk.

Blækket indeholder forgrenede polymerer med to bundne, kemisk adskilte segmenter. Forskerne opløser materialet til en opløsning, der binder polymerkæderne lige før udskrivning. Efter udskrivning og efterhånden som opløsningen tørrer, komponenterne adskilles i mikroskopisk skala, danner lag i nanoskala, der udviser forskellige fysiske egenskaber afhængigt af samlingshastigheden.

"Den største udfordring ved polymersyntesen er at kombinere den præcision, der kræves til samlingen i nanoskala, med produktionen af ​​de store mængder materiale, der er nødvendige for 3-D-printprocessen, " sagde medforfatter Damien Guironnet, professor i kemi og biomolekylær teknik.

I laboratoriet, teamet bruger en modificeret forbruger 3-D printer til at finjustere, hvor hurtigt en printdyse bevæger sig hen over en temperaturstyret overflade. "At have kontrol over hastigheden og temperaturen af ​​blækaflejring giver os mulighed for at kontrollere samlingshastigheden og den indre lagtykkelse på nanoskala, som en normal 3D-printer ikke kan, " sagde Bijal Patel, en kandidatstuderende og hovedforfatter på undersøgelsen. "Det dikterer, hvordan lyset vil reflektere fra dem og, derfor, farven vi ser."

Forskerne sagde, at farvespektret, de har opnået med denne metode, er begrænset, men de arbejder på at lave forbedringer ved at lære mere om kinetikken bag, hvordan de flere lag dannes i denne proces.

Derudover teamet arbejder på at udvide processens industrielle relevans, da den nuværende metode ikke er velegnet til udskrivning i store mængder. "Vi arbejder med Damien Guironnet, Charles Sing og Simon Rogers grupper ved U. of I. for at udvikle polymerer og printprocesser, der er nemmere at kontrollere, bringer os tættere på at matche de levende farver produceret af naturen, " sagde Diao.

"Dette arbejde fremhæver, hvad der er opnåeligt, efterhånden som forskere begynder at bevæge sig forbi fokus på 3-D-print som blot en måde at lægge et bulkmateriale ned i interessante former, " sagde Patel. "Her, vi ændrer direkte materialets fysiske egenskaber ved udskrivning og låser op for ny adfærd."