De meeste objecten die we zien zijn gekleurd door pigmenten, maar het gebruik van pigmenten heeft nadelen:dergelijke kleuren kunnen vervagen, industriële pigmenten zijn vaak giftig, en bepaalde kleureffecten zijn onmogelijk te bereiken. De natuurlijke wereld, echter, vertoont ook structurele kleuring, waarbij de microstructuur van een object ervoor zorgt dat verschillende kleuren verschijnen. Pauwenveren, bijvoorbeeld, zijn bruin gepigmenteerd, maar - vanwege de lange holtes in de veren - weerspiegelen de prachtige, iriserende blues en greens die we zien en bewonderen. Recente technologische vooruitgang heeft het praktisch gemaakt om het soort nanostructuren te fabriceren dat resulteert in structurele kleuring, en computerwetenschappers van het Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) en de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) hebben nu een rekenhulpmiddel ontwikkeld dat automatisch 3D-printsjablonen maakt voor nanostructuren die overeenkomen met door de gebruiker gedefinieerde kleuren. Hun werk toont het grote potentieel aan voor structurele kleuring in de industrie, en opent mogelijkheden voor niet-experts om hun eigen ontwerpen te maken. Dit project zal worden gepresenteerd op de topconferentie over computergraphics van dit jaar, SIGGRAAF 2018, door eerste auteur en IST Austria postdoc Thomas Auzinger.

De veranderende kleuren van een kameleon en de iriserende blauw- en groentinten van de morpho-vlinder, onder vele andere in de natuur, zijn het resultaat van structurele kleuring, waar nanostructuren interferentie-effecten in licht veroorzaken, wat resulteert in een verscheidenheid aan kleuren wanneer macroscopisch bekeken. Structurele kleuring heeft bepaalde voordelen boven kleuring met pigmenten (waar bepaalde golflengten worden geabsorbeerd), maar tot voor kort, de beperkingen van de technologie betekenden dat het vervaardigen van dergelijke nanostructuren zeer gespecialiseerde methoden vereiste. Nieuwe "direct laser schrijven" opstellingen, echter, kost ongeveer evenveel als een hoogwaardige industriële 3D-printer, en printen op de schaal van honderden nanometers (100 - 1000 keer dunner dan een mensenhaar), het openen van mogelijkheden voor wetenschappers om te experimenteren met structurele kleuring.

Tot dusver, wetenschappers hebben vooral geëxperimenteerd met nanostructuren die ze in de natuur hadden waargenomen, of met eenvoudige, reguliere nanostructurele ontwerpen (bijv. rij na rij pilaren). Thomas Auzinger en Bernd Bickel van IST Oostenrijk, samen met Wolfgang Heidrich van KAUST, echter, koos voor een innovatieve nieuwe aanpak die op een aantal belangrijke punten verschilt. Eerst, ze lossen de omgekeerde ontwerptaak ​​op:de gebruiker voert de kleur in die hij wil repliceren, en dan maakt de computer een nanostructuurpatroon dat die kleur geeft, in plaats van te proberen structuren in de natuur te reproduceren. Bovendien, "onze ontwerptool is volledig automatisch, ", zegt Thomas Auzinger. "Er is geen extra inspanning van de gebruiker vereist."

Tweede, de nanostructuren in de sjabloon volgen geen bepaald patroon of hebben geen regelmatige structuur; ze lijken willekeurig te zijn samengesteld - een radicale breuk met eerdere methoden, maar wel een met veel voordelen. "Als ik naar de sjabloon kijk die door de computer is gemaakt, kan ik aan de structuur alleen niet zien of ik een patroon zie voor blauw of rood of groen, " legt Auzinger uit. "Maar dat betekent dat de computer oplossingen vindt die wij, als mensen, kon niet. Deze vrije-vormstructuur is extreem krachtig:het zorgt voor meer flexibiliteit en opent mogelijkheden voor extra kleureffecten." hun ontwerptool kan worden gebruikt om een ​​vierkant af te drukken dat vanuit één hoek rood lijkt, en blauw van een ander (bekend als directionele kleuring).

Eindelijk, eerdere pogingen liepen ook tegen de feitelijke fabricage aan:de ontwerpen waren vaak niet te printen. De nieuwe ontwerptool, echter, garandeert dat de gebruiker een afdrukbare sjabloon krijgt, wat het uiterst nuttig maakt voor de toekomstige ontwikkeling van structurele kleuring in de industrie. "De ontwerptool kan worden gebruikt om prototypes te maken van nieuwe kleuren en andere tools, en om interessante structuren te vinden die industrieel kunnen worden geproduceerd, ", voegt Auzinger toe. De eerste tests van de ontwerptool hebben al succesvolle resultaten opgeleverd. "Het is verbazingwekkend om te zien dat iets dat volledig uit heldere materialen is samengesteld, gekleurd lijkt, simpelweg vanwege structuren die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog, " zegt Bernd Bickel, professor aan IST Oostenrijk. "We staan ​​te popelen om te experimenteren met extra materialen, om de reeks effecten die we kunnen bereiken uit te breiden."

"Het is bijzonder opwindend om getuige te zijn van de groeiende rol van computerhulpmiddelen bij fabricage, " concludeert Auzinger, "en nog spannender om de uitbreiding van 'computer graphics' te zien om zowel fysieke als virtuele beelden te omvatten."