Strukturel farveprint af 3D-objekter i mikroskala ved at krympe fotoniske krystaller

I en rapport for nylig offentliggjort i Naturkommunikation , en forskergruppe ledet af lektor Joel Yang fra Singapore University of Technology and Design (SUTD) trykte sandsynligvis den mindste farverige 3-D-model af Eiffeltårnet. Imponerende nok, der blev ikke brugt pigmenter eller blæk. I stedet, den 3-D-printede model af Eiffeltårnet, måler mindre end halvdelen af ​​bredden af ​​et menneskehår ved 39 mikrometer, udviser flere farver på grund af den måde, hvorpå lys interagerer med de nanostrukturer, der holder modellen op. 3-D modellerne er lavet af et fint printet mesh af gennemsigtig polymer, danner fotoniske krystaller. Disse for det meste hule design krymper bemærkelsesværdigt i størrelse omkring 5 gange, når de opvarmes for at producere en bred vifte af farver.

Prof Yang sagde:"Der er stor begejstring i forskersamfundet for at videreudvikle bæredygtige kilder til farver, der ikke er udvundet fra dyr eller planter. Hvad nu hvis de produkter, vi laver, kunne få sin farve ved at nano-teksturere materialet, som det sig selv er lavet af? Visse sommerfugle og biller har udviklet sig til at gøre dette, måske kunne vi også lære at gøre dette." Sammenlignet med pigmenter og farvestoffer, der er afhængige af kemisk sammensætning, strukturelle farver er i høj opløsning, permanent, og miljøvenlig.

I naturen, farven på nogle sommerfugle, Pachyrhynchus snudebiller, og mange kamæleoner er bemærkelsesværdige eksempler på naturlige organismer, der anvender fotoniske krystaller til at producere farverige mønstre. Fotoniske krystalstrukturer afspejler levende farver med nuancer afhængige af deres gitterkonstanter. For at afspejle levende farver, gitterkonstanterne for en fotonisk krystal skal være tilstrækkelig små. For eksempel, gitterkonstanten er kun ~280 nm på sommerfuglevinger, hvilket giver en blå farvenuance. På grund af begrænsningen af ​​den nuværende 3D-udskrivningsopløsning, det er en udfordring at printe vilkårlige farver og former i alle tre dimensioner i denne mikroskopiske længdeskala.

For at opnå den nødvendige dimension af gitterkonstanter, der kan sammenlignes med sommerfugleskalaerne, forskere fra Prof Yangs gruppe brugte en "farvning-ved-krympning"-metode, som introducerer et additivt opvarmningstrin for at krympe de fotoniske krystaller, der er trykt ved hjælp af et kommercielt to-foton polymerisations litografisystem, dvs. Nanoscribe GmbH Photonic Professional GT. Prof Yang tilføjede:"Udfordringen ligger i at krympe strukturer ved disse nanoskopiske dimensioner uden at få dem til at smelte sammen til en klat. Ved at mønstre større strukturer, og krymper dem senere, vi producerede strukturer, der ikke kunne have været trykt direkte med standardmetoder." de gentagne linjer i træstabelstrukturerne blev krympet ned til 280 nm, næsten 2 gange mindre end maskinspecifikationerne. Som en bonusbivirkning ved at skrumpe, brydningsindekset for den tværbundne polymer steg i opvarmningsprocessen, hvilket yderligere gavner genereringen af ​​farver.

Eiffeltårnet i fuld farve demonstrerede evnen til at printe vilkårlige og komplekse 3D-farveobjekter på mikroskalaniveau ved hjælp af "farve-ved-krympning"-metoden. Med friheden til at designe 3-D fotoniske krystaller, der er krympet, så de passer til bestemte farver, denne teknologi ville være bredt anvendelig til at opnå kompakte optiske komponenter og integreret 3-D fotonisk kredsløb, der opererer i det synlige område.