Mod 4D-print med strukturelle farver

Farverne i verden omkring os produceres enten gennem absorption af lys af molekyler (pigmentfarver) eller spredning af lys af nanostrukturer (strukturelle farver). Naturen giver mange spektakulære eksempler på strukturelle farver - de klare farver på nogle sommerfugle, biller, fisk eller fugle (tænk på påfugle) skyldes nanostrukturer, der får de reflekterede lysbølger til at overlappe hinanden. Strukturel farvning forekommer på overflader med en nanostruktur med dimensioner svarende til bølgelængden af ​​det indfaldende lys (typisk under en mikron). Disse ordnede nanostrukturer er kendt som fotoniske krystaller.

Stimuli-responsive farver er en unik egenskab for visse dyr, udviklet som enten en metode til at gemme sig fra fjender og bytte eller til at kommunikere deres tilstedeværelse til rivaler eller makker. Kamæleoner har for eksempel den bemærkelsesværdige evne til at udvise komplekse og hurtige farveændringer. Forskere fandt ud af, at farveændringerne finder sted via den aktive tuning af et gitter af nanokrystaller, der er til stede i et overfladisk lag af hudceller kaldet iridophores. Andre strukturelle farver i naturen har vist sig at reagere på kemikalier eller fugt.

Fra et materialevidenskabeligt perspektiv har de løsninger, der er udviklet af naturen for at opnå disse effekter, været en kilde til inspiration for videnskabsmænd i årtier. Et nyligt eksempel er 3D-print med stimuli-responsive materialer, kaldet 4D-print. 4D-printning gør det muligt for 3D-printede strukturer at ændre deres konfigurationer over tid og bruges inden for en lang række områder, såsom blød robotteknologi, fleksibel elektronik og medicinsk udstyr.

Udvidelse af 4D-print til strukturelt farvet blæk har været målet for den stimuli-responsive Functional Materials &Devices-gruppe ved Eindhoven University of Technology. Da holdet så manglen på et synligt farvet 4D-materiale, satte holdet sig for at designe et. Som et resultat rapporterer de i Avancerede funktionelle materialer ("Direct Ink Writing of 4D Structural Colors") udviklingen af ​​en vand-responsiv kolesterisk flydende krystal blæk og den medfølgende direkte blækskrivning (DIW) procedure. Som forskerne demonstrerer i deres papir, danner det fugtfølsomme kolesteriske flydende krystaloligomerblæk efter 3D-print en kolesterisk fase med synlig, farvet refleksion, og efter tværbinding og aktivering ændrer den reversibelt volumen og reflekteret farve baseret på hydreringstilstand.

"Dette er den første demonstration af et fugtfølsomt farveskiftende blæk til ekstrudering af 3D-print," siger Michael G. Debije, adjunkt ved TU Eindhoven, til Nanowerk. "Vi kan nu producere computerstøttede designs af sensorenheder med et markant visuelt signal - en dramatisk ændring af reflektionsfarve - mod brugeren."

"Vi har designet en speciel fotonisk blæk til 3D-print fra bunden, begyndende med omhyggelig udvælgelse af de molekylære byggesten, der giver os vandfølsomhed og farvet udseende," forklarer Jeroen Sol, avisens første forfatter. "Farven kommer fra det, der kaldes en 'kolesterisk flydende krystal', en specifik molekylær stablingsrækkefølge, der interagerer selektivt med specifikke farver af synligt lys."

I tidligere arbejde ("Anisotropic Iridescence and Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral Photonic Polymer") har forskerne allerede demonstreret muligheden for at udskrive kolesteriske farvede objekter ved hjælp af mikroekstrudering 3D-print. I dette nuværende arbejde har de tilføjet en funktion, der længe er kendt fra flydende krystallinske polymerer:en autonom stimulus-respons. "Vi forestiller os, at dette arbejde vil danne grundlag for 3D-printede optiske sensorenheder, men vil også tjene som grundlag for udviklingen af ​​andre responsive 3D-printblæk," bemærker Sol.

Holdet brugte to enheder til at fremhæve potentialet ved DIW-responsive kolesteriske blæk:et 4D-printet farveskiftende element på 3D-printede objekter og et fuldt 4D-printet, formændrende, strukturelt farvet objekt.

Som det er blevet demonstreret for fotoniske polymermaterialer i fortiden, kan omfanget af dets vandrespons typisk programmeres ved hjælp af andre kemiske arter, der påvirker graden af ​​polaritet. Disse kan for eksempel være ioner eller små bioaktive molekyler. Som dette arbejde viser, kan det være muligt i fremtiden at designe 3D-printbare, batterifrie sensorer, der målretter mod vigtige biomarkører eller gennemsyrer følsomhed over for tungmetalioner, der forurener vandkilder.

For nu arbejder teamet på at designe 3D-printblæk med andre typer stimuli-responser, såsom respons på skiftende lysforhold og til sidst integrationen af ​​flere forskellige 4D-blæk i enkelte enheder, der bliver multifunktionelle. "Ideelt set kan vi ved at inkludere responsive elementer i disse polymerer skabe materialer, der både kan sanse og reagere på deres omgivelser, måske endda tillade kommunikation mellem individuelle enheder også at generere et niveau af autonomi for en samling af individuelle enheder," slutter Debije . + Udforsk yderligere

Glansfarvet 3D-print med flydende krystaller