Brug af sommerfuglemorfologi til 3D-print af farvede nanostrukturer

ETH Zürich-forskere har skabt kunstige farver ved at 3D-printe visse nanostrukturer inspireret af en sommerfugls. Dette princip kan bruges i fremtiden til at producere farveskærme.

For deres nye teknologi hentede forskere i gruppen af ​​Andrew deMello, professor i biokemisk teknik, inspiration fra sommerfugle. Vingerne af arten Cynandra opis, hjemmehørende i tropisk Afrika, er dekoreret med strålende farver. Disse er produceret af ekstremt indviklede regelmæssige overfladestrukturer i størrelsesområdet for bølgelængden af ​​synligt lys. Ved at afbøje lysstråler forstærker eller ophæver disse strukturer individuelle farvekomponenter i lyset. Anført af deMello er det lykkedes forskerne at replikere overfladestrukturerne af Cynandra opis, såvel som andre modificerede strukturer, ved hjælp af en nano-3D-printteknik. På denne måde skabte de et letanvendeligt princip til produktion af strukturer, der genererer strukturelle farver.

Der er talrige eksempler på en sådan strukturel farvning i naturen, herunder uregelmæssige overfladestrukturer - for eksempel fundet i andre sommerfuglearter. "De almindelige nanostrukturer på vingerne af Cynandra opis var dog særligt velegnede til rekonstruktion ved hjælp af 3D-print," forklarer Xiaobao Cao, en tidligere doktorand i deMello-gruppen og hovedforfatter af denne undersøgelse. Cynandra opis-strukturerne består af to gitterlag stablet vinkelret på hinanden med en gitterafstand på ca. 1/2 til 1 mikrometer.

Hele farvepaletten

Ved at variere denne gitterafstand og højden af ​​gitterstavene i området mellem 250 nanometer og 1,2 mikrometer, var ETH-forskerne i stand til at producere 3D-printede strukturer, der genererer alle farverne i det synlige spektrum. Mange af disse farver forekommer ikke i den naturlige model (sommerfuglen), som deres strukturer er baseret på.

Det lykkedes forskerne at fremstille sådanne overflader ved hjælp af forskellige materialer, herunder en gennemsigtig polymer. "Dette gjorde det muligt at belyse strukturen bagfra for at få farven frem," forklarer Stavros Stavrakis, seniorforsker i deMello-gruppen og medforfatter af undersøgelsen. "Det er første gang, vi har formået at producere alle farverne i det synlige spektrum som strukturelle farver i et gennemsigtigt materiale."

Sikkerhedsfunktion

Som en del af undersøgelsen producerede forskerne et miniaturebillede af flerfarvede strukturelle farvepixels, der måler 2 gange 2 mikrometer. Sådanne små billeder kunne en dag bruges som en sikkerhedsfunktion på pengesedler og andre dokumenter. Fordi farverne kan fremstilles med transparent materiale, ville det også være muligt at fremstille farvefiltre til optiske teknologier. Dette passer godt med hovedforskningsaktiviteten i ETH Professor deMellos gruppe, som udvikler mikrofluidiske systemer – miniaturiserede systemer til kemiske og biologiske eksperimenter.

Storskalaproduktion af nanostrukturer er også tænkelig, siger forskerne. En negativ struktur kunne 3D-printes til at fungere som en skabelon, som ville gøre det muligt at producere et stort antal reproduktioner. Det betyder, at princippet kan være egnet til fremstilling af farveskærme med høj opløsning, såsom tynde bøjelige skærme. Og endelig påpeger forskerne, at strukturelle farver kunne erstatte de pigmenter, der bruges i dag til trykning og maling. Strukturelle farver har visse fordele i forhold til konventionelle pigmenter:de holder længere, fordi de ikke falmer, når de udsættes for lys, og i de fleste tilfælde har de et bedre miljømæssigt fodaftryk.

Forskningen blev offentliggjort i Advanced Materials . + Udforsk yderligere

Beregningsmodellering forklarer, hvorfor blå og grønne farver er de klareste farver i naturen