De kleuren in de wereld om ons heen worden geproduceerd door absorptie van licht door moleculen (pigmentkleuren) of door verstrooiing van licht door nanostructuren (structurele kleuren). De natuur biedt veel spectaculaire voorbeelden van structurele kleuren - de felle kleuren van sommige vlinders, kevers, vissen of vogels (denk aan pauwen) zijn te wijten aan nanostructuren die ervoor zorgen dat de gereflecteerde lichtgolven elkaar overlappen. Structurele kleuring vindt plaats op oppervlakken met een nanostructuur met afmetingen die vergelijkbaar zijn met die van de golflengte van het invallende licht (meestal minder dan een micron). Deze geordende nanostructuren staan ​​bekend als fotonische kristallen.

Op prikkels reagerende kleuren zijn een uniek kenmerk van bepaalde dieren, ontwikkeld als een methode om zich te verbergen voor vijanden en prooien of om hun aanwezigheid aan rivalen of partners te communiceren. Kameleons hebben bijvoorbeeld het opmerkelijke vermogen om complexe en snelle kleurveranderingen te vertonen. Onderzoekers ontdekten dat de kleurveranderingen plaatsvinden via de actieve afstemming van een rooster van nanokristallen dat aanwezig is in een oppervlakkige laag dermale cellen die iridophores worden genoemd. Andere structurele kleuren in de natuur blijken te reageren op chemicaliën of vochtigheid.

Vanuit materiaalwetenschappelijk perspectief zijn de door de natuur ontwikkelde oplossingen om deze effecten te bereiken al decennia lang een inspiratiebron voor wetenschappers. Een recent voorbeeld is 3D-printen met op prikkels reagerende materialen, 4D-printen genoemd. 4D-printen zorgt ervoor dat 3D-geprinte structuren hun configuraties in de loop van de tijd kunnen veranderen en wordt gebruikt in een groot aantal verschillende gebieden, zoals zachte robotica, flexibele elektronica en medische apparaten.

4D-printen uitbreiden naar structureel gekleurde inkten was het doel van de Stimuli-responsive Functional Materials &Devices-groep van de Technische Universiteit Eindhoven. Het team zag het ontbreken van een zichtbaar gekleurd 4D-materiaal en begon er een te ontwerpen. Als gevolg hiervan rapporteren ze in Advanced Functional Materials ("Direct Ink Writing of 4D Structural Colors") de ontwikkeling van een op water reagerende cholesterische vloeibaar-kristalinkt en de bijbehorende procedure voor direct ink schrijven (DIW). Zoals de onderzoekers in hun paper aantonen, vormt de vochtgevoelige cholesterische vloeibaar-kristal-oligomeerinkt na 3D-printen een cholesterische fase met zichtbare, gekleurde reflectie, en verandert na verknoping en activering omkeerbaar het volume en de gereflecteerde kleur op basis van de hydratatietoestand.

"Dit is de eerste demonstratie van een vochtgevoelige kleur veranderende inkt voor 3D-extrusieprinten", vertelt Michael G. Debije, universitair docent aan de TU Eindhoven, aan Nanowerk. "We kunnen nu computerondersteunde ontwerpen van detectieapparaten maken met een duidelijk visueel signaal - een dramatische verandering van reflectiekleur - naar de gebruiker toe."

"We hebben vanaf het begin een speciale fotonische inkt ontworpen voor 3D-printen, te beginnen met een zorgvuldige selectie van de moleculaire bouwstenen die ons de watergevoeligheid en het gekleurde uiterlijk geven", legt Jeroen Sol, de eerste auteur van het artikel, uit. "De kleur komt van wat een 'cholesterisch vloeibaar kristal' wordt genoemd, een specifieke moleculaire stapelvolgorde die selectief interageert met specifieke kleuren zichtbaar licht."

In eerder werk ("Anisotropische irisatie- en polarisatiepatronen in een Direct Ink Written Chiral Photonic Polymer") toonden de onderzoekers al de mogelijkheid aan om cholesterisch gekleurde objecten te printen met behulp van micro-extrusie 3D-printen. In dit huidige werk hebben ze een functie toegevoegd die al lang bekend is van vloeibaar kristallijne polymeren:een autonome stimulus-respons. "We voorzien dat dit werk de basis zal vormen voor 3D-geprinte optische detectieapparatuur, maar ook zal dienen als basis voor de ontwikkeling van andere responsieve 3D-printinkten", merkt Sol op.

Het team gebruikte twee apparaten om het potentieel van DIW-responsieve cholesterische inkten te benadrukken:een 4D-geprint kleurveranderend element op 3D-geprinte objecten en een volledig 4D-geprint, vormveranderend, structureel gekleurd object.

Zoals in het verleden is aangetoond voor fotonische polymeermaterialen, kan de mate van de waterrespons meestal worden geprogrammeerd met behulp van andere chemische soorten die de mate van polariteit beïnvloeden. Dit kunnen bijvoorbeeld ionen zijn, of kleine bioactieve moleculen. Zoals dit werk aantoont, is het in de toekomst misschien mogelijk om 3D-afdrukbare, batterijloze sensoren te ontwerpen die zich richten op belangrijke biomarkers, of die gevoelig zijn voor zware metaalionen die waterbronnen vervuilen.

Voorlopig werkt het team aan het ontwerpen van 3D-printinkten met andere soorten stimuli-reacties, zoals reactie op veranderende lichtomstandigheden, en uiteindelijk de integratie van meerdere verschillende 4D-inkten in afzonderlijke apparaten die multifunctioneel worden. "In het ideale geval kunnen we, door responsieve elementen in deze polymeren op te nemen, materialen creëren die zowel hun omgeving kunnen waarnemen als erop reageren, en misschien zelfs communicatie tussen individuele apparaten mogelijk maken en een niveau van autonomie genereren voor een verzameling individuele eenheden", besluit Debije. . + Verder verkennen

Glanzend gekleurd 3D-printen met vloeibare kristallen