Cholesterische vloeibare kristallen, een door de mens gemaakt materiaal met eigenschappen tussen vloeistoffen en vaste kristallen, kan de kleuren van vlindervleugels nabootsen. Vloeibare kristallen worden gebruikt in televisies en smartphones, maar toekomstige toepassingen voor sensoren voor de gezondheidszorg of decoratieve verlichting zijn moeilijk omdat de materialen niet geavanceerd kunnen worden gebruikt, snelle productiemethoden zoals 3D-printen. De materialen zijn niet stroperig genoeg om stabiele, solide structuren, en het is moeilijk om de moleculen op één lijn te brengen om specifieke kleuren te produceren. TU/e-onderzoekers hebben deze problemen opgelost door een nieuwe lichtreflecterende vloeibare kristalinkt te ontwikkelen die kan worden gebruikt met bestaande 3D-printtechnieken. Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

In de natuur, iriserende materialen, die een kleurverandering vertonen wanneer bekeken vanuit verschillende hoeken, is te vinden in vlindervleugels en in parelmoer (of parelmoer) in de binnenschaal van weekdieren.

Een door de mens gemaakte versie van deze natuurlijke materialen is cholesterisch vloeibaar kristal, die al is gebruikt als "slimme" materialen in lichtreflectoren, schakelbare ramen, en afstembare zonne-energiecollectoren.

Voor toepassingen in de gezondheidszorg in zachte draagbare sensoren of decoratieve verlichting, cholesterische vloeibare kristallen zijn bij uitstek geschikt. Tot nu toe echter, een gemakkelijke manier om deze materialen te produceren en apparaten van deze materialen te maken ontbrak.

Onderzoekers van de afdeling Chemical Engineering and Chemistry van de TU/e ​​in samenwerking met TNO, DSM, Brightlands Materials Center (in het DynAM-consortium), en SABIC hebben een op de natuur geïnspireerde inkt op basis van vloeibare kristallen gemaakt die via Direct-Ink-Writing (DIW) in 3D op een oppervlak kan worden geprint. Hoofdauteur voor de studie is Ph.D. kandidaat Jeroen Sol, met Albert Schenning en Michael Debije van de Stimuli-responsive Functional Materials and Devices (SFD) groep die het onderzoeksproject leiden.

"DIW is een op extrusie gebaseerde 3D-printbenadering waarbij een inkt laag voor laag uit een klein mondstuk op een oppervlak wordt gedoseerd. De huidige cholesterische vloeibaar-kristalinkten kunnen niet worden geprint met DIW, dus creëerden we een vloeibare kristalinkt die compatibel is met DIW, " zegt Sol.

De nieuwe vloeibaar-kristalinkt heeft een aantal belangrijke eigenschappen. Eerst, de lichtreflecterende eigenschappen van de inkt zijn afhankelijk van de precieze spiraalvormige uitlijning van moleculen door het materiaal, wat een fijnafstemming van het printproces vereist. Tweede, de moleculen in de inkt kunnen zichzelf assembleren tot structuren die kleuren weergeven die lijken op natuurlijke iriserende materialen, zoals die in vlindervleugels. Derde, de nieuwe inkt heeft een grotere viscositeit dan eerdere inkten, waardoor het geschikt is voor DIW-afdrukken.

Eindelijk, de nieuwe inkt is nieuw, makkelijk te maken, gemakkelijk te verwerken, en gebaseerd op eerder door de SFD onderzoeksgroep aan de TU/e ​​ontwikkelde materialen voor lichtreflecterende coatings, waardoor het geschikt is voor 3D-printen.

Vlindervleugels

"Om de nieuwe inkt met DIW af te drukken, we varieerden parameters zoals afdruksnelheid en temperatuur. En om de inkt goed te laten afdrukken, we hebben ook een inkt gemaakt met vloeibare kristallen met een laag moleculair gewicht, " merkt Sol op. Vrij indrukwekkend, de onderzoekers konden de nieuwe inkt gebruiken om synthetische vlindervleugels te printen!

Tot grote verbazing van de onderzoekers, ze waren ook in staat om de moleculaire uitlijning op nanoschaal zeer nauwkeurig te regelen door de afdruksnelheid te variëren. Hierdoor hadden de onderzoekers meer controle over het uiterlijk en de lichtreflecterende eigenschappen van het materiaal. "Traditioneel, dit niveau van controle is alleen mogelijk met zeer gespecialiseerde fabricage-apparaten, dus om dit te doen met de nieuwe inkt en DIW 3D-printen is een echte doorbraak, " zegt Sol.

Toekomstige toepassingen

Aangezien de nieuwe vloeibare kristalinkt met DIW kan worden bedrukt, het zou kunnen worden gebruikt in toekomstige printprocedures voor gepersonaliseerde medische apparaten, zoals dunne draagbare biosensoren die visueel en kleurrijk met de drager interageren.

"Bovendien, de combinatie van onze nieuwe inkt en DIW kan worden gebruikt om de gespecialiseerde optische structuren te printen die nodig zijn voor augmented reality-headsets waar levensechte en kunstmatige beelden naadloos worden gecombineerd, " zegt Sol opgewonden. "De nieuwe materialen zouden hun weg kunnen vinden naar de HoloLenses van de toekomst - dat zou iets buitengewoons zijn!"