Briljant gekleurde kameleons, vlinders, opalen - en nu sommige 3D-geprinte materialen - reflecteren kleur door gebruik te maken van structuren op nanoschaal die fotonische kristallen worden genoemd.

Een nieuwe studie die aantoont hoe een aangepast 3D-printproces een veelzijdige benadering biedt voor het produceren van meerdere kleuren uit een enkele inkt, wordt gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Enkele van de meest levendige kleuren in de natuur zijn afkomstig van een fenomeen op nanoschaal dat structurele kleuring wordt genoemd. Wanneer lichtstralen weerkaatsen op deze periodiek geplaatste structuren die zich in de vleugels en huiden van sommige dieren en in sommige mineralen bevinden, ze interfereren constructief met elkaar om bepaalde golflengten te versterken en andere te onderdrukken. Als de structuren goed geordend en klein genoeg zijn - ongeveer duizend keer kleiner dan een mensenhaar, zeiden de onderzoekers - de stralen produceren een levendige uitbarsting van kleur.

"Het is een uitdaging om deze levendige kleuren te reproduceren in de polymeren die worden gebruikt om items zoals milieuvriendelijke verf en zeer selectieve optische filters te produceren, " zei studieleider Ying Diao, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "Nauwkeurige controle van de synthese en verwerking van polymeren is nodig om de ongelooflijk dunne, geordende lagen die de structurele kleur produceren zoals we die in de natuur zien."

De studie meldt dat door het assemblageproces van uniek gestructureerde flessenborstelvormige polymeren tijdens 3D-printen zorgvuldig af te stemmen, het is mogelijk om fotonische kristallen te printen met instelbare laagdiktes die het zichtbare lichtspectrum van een enkele inkt reflecteren.

De inkt bevat vertakte polymeren met twee gebonden, chemisch verschillende segmenten. Vlak voor het printen lossen de onderzoekers het materiaal op in een oplossing die de polymeerketens bindt. Na het afdrukken en als de oplossing droogt, de componenten scheiden zich op microscopische schaal, het vormen van lagen op nanoschaal die verschillende fysieke eigenschappen vertonen, afhankelijk van de snelheid van assemblage.

"De grootste uitdaging van de polymeersynthese is het combineren van de precisie die nodig is voor de assemblage op nanoschaal met de productie van de grote hoeveelheden materiaal die nodig zijn voor het 3D-printproces, " zei co-auteur Damien Guironnet, een professor in de chemische en biomoleculaire engineering.

In het labortorium, het team gebruikt een aangepaste 3D-printer voor consumenten om te verfijnen hoe snel een printmondstuk over een temperatuurgecontroleerd oppervlak beweegt. "Door controle te hebben over de snelheid en temperatuur van inktafzetting, kunnen we de snelheid van assemblage en de interne laagdikte op nanoschaal regelen, wat een normale 3D-printer niet kan, " zei Bijal Patel, een afgestudeerde student en hoofdauteur van de studie. "Dat bepaalt hoe het licht van hen zal weerkaatsen en, daarom, de kleur die we zien."

De onderzoekers zeiden dat het kleurenspectrum dat ze met deze methode hebben bereikt beperkt is, maar ze werken aan verbeteringen door meer te leren over de kinetiek achter hoe de meerdere lagen zich in dit proces vormen.

Aanvullend, het team werkt aan het vergroten van de industriële relevantie van het proces, aangezien de huidige methode niet goed geschikt is voor het printen van grote volumes. "We werken samen met Damien Guironnet, Charles Sing en Simon Rogers groeperen aan de U. of I. om polymeren en printprocessen te ontwikkelen die gemakkelijker te controleren zijn, brengt ons dichter bij het matchen van de levendige kleuren die door de natuur worden geproduceerd, ' zei Diao.

"Dit werk laat zien wat haalbaar is als onderzoekers voorbij gaan aan de focus op 3D-printen als een manier om een ​​bulkmateriaal in interessante vormen neer te zetten, ' zei Patel. 'Hier, we veranderen direct de fysieke eigenschappen van het materiaal op het moment van printen en ontsluiten nieuw gedrag."