Om te overleven in extreme habitats hebben veel dieren en planten briljante vermogens ontwikkeld die we anders alleen kennen van superhelden in films. In de meeste gevallen zijn hun capaciteiten gebaseerd op de buitengewone eigenschappen van hun oppervlakken. Het nabootsen van deze eigenschappen biedt een enorm potentieel op het gebied van engineering voor het ontwikkelen van nieuwe producten en het oplossen van technische problemen. Onderzoeksteams uit Bochum en Kiel zijn erin geslaagd om de structurele kleur van de beroemde blauwe Morpho-vlinders na te bootsen met behulp van een zeer nauwkeurige 3D-printtechnologie die twee-fotonpolymerisatie (2PP) wordt genoemd. De onderzoekers presenteren hun nieuwste bevindingen in een paper gepubliceerd in het Journal of Optical Microsystems op 2 september 2022.

De studie op het gebied van biomimetica werd uitgevoerd door onderzoekers van de Applied Laser Technologies aan de Ruhr-Universität Bochum (RUB), onder leiding van professor Andreas Ostendorf en professor Cemal Esen, en van de groep Functional Morphology and Biomechanics aan de Kiel University (CAU), onder leiding van professor Stanislav Gorb.

3D-printen van biologisch geïnspireerde kerstbomen

2PP is een op laser gebaseerde printtechnologie die de verwerking van lichtgevoelige harsen in alle drie de dimensies mogelijk maakt. In tegenstelling tot conventionele printtechnieken is het dus mogelijk om complexe en echte 3D-structuren te creëren met behulp van virtuele computermodellen zonder dat er ondersteunende structuren nodig zijn. Bovendien maakt 2PP een hoge resolutie mogelijk, omdat afzonderlijke structurele kenmerken een grootte tot 100 nanometer kunnen meten. Dit aantal komt ongeveer overeen met een duizendste van de dikte van mensenhaar.

De 3D-printmogelijkheden van 2PP stelden de onderzoekers in staat hiërarchisch samengestelde structuren te produceren op micro- en nanometerschaal. Op deze manier konden ze de structurele kleur van de blauwe Morpho-vlinders nabootsen, inclusief hun buitengewone optische eigenschappen. De kleur van de vlinders wordt gevormd door kleine kerstboomachtige structuren op hun bovenvleugeloppervlak. Bovendien maken complexe fysieke verschijnselen tussen licht en de kerstbomen het mogelijk om de blauwe kleur als bijna hoekongevoelig waar te nemen. "Dit is zeer verrassend, omdat structurele kleuren er normaal gesproken iriserend uitzien als een regenboog wanneer deze wordt gegenereerd door vergelijkbare fysieke verschijnselen, zoals breking, bijvoorbeeld", zegt RUB-onderzoeker Gordon Zyla.

Biologisch geïnspireerde structurele kleuren voor toepassingen tegen namaak

In hun huidige werk, gepubliceerd in het Journal of Optical Microsystems , presenteren de onderzoekers een succesvol herontwerp van hun vlinder-geïnspireerde structuren uit eerdere publicaties. Door de herontwerpen konden ze de resulterende hoekongevoelige blauwe kleur uniform of alleen vanuit specifieke richtingen waarnemen. Voor dit doel analyseerden ze eerst de optische eigenschappen en morfologie van het vleugeloppervlak van een Morpho didius-vlinder op CAU. Op basis van hun bevindingen hebben ze afgeleid dat ze de richting waarin de hoekongevoelige kleur verschijnt kunnen bepalen door de geometrie van hun hiërarchisch samengestelde structuren alleen op microschaal te veranderen, terwijl ze nog steeds de structuren van de vlinder op nanoschaal nabootsen.

De nieuwe ontwerpen die door de auteurs worden voorgesteld, zijn bijvoorbeeld geschikt voor het vervaardigen van zeer complexe anti-namaakfuncties. Over het algemeen toont hun onderzoek het grote potentieel aan van de 2PP-technologie voor gebruik in biomimetica. In deze context gaan de auteurs ervan uit dat een grote verscheidenheid aan functionele structuren uit de natuur kunnen worden nagebootst met behulp van 2PP in combinatie met nieuwe lichtgevoelige materialen. Zo kunnen ook andere superkrachten die in organismen worden gevonden, toegankelijk worden gemaakt voor verschillende technische toepassingen. Dit zijn bijvoorbeeld verbeterde hechting en slijtvastheid op verschillende oppervlakken, superhydrofobiciteit, gewoonlijk het lotuseffect genoemd, of andere kleuringen die in de natuur worden gebruikt als waarschuwingssignalen, camouflage of intraseksuele communicatie. + Verder verkennen

Vlindermorfologie gebruiken om gekleurde nanostructuren in 3D te printen