Onderzoekers van ETH Zürich hebben kunstmatige kleuren gecreëerd door bepaalde nanostructuren in 3D te printen die zijn geïnspireerd op die van een vlinder. Dit principe kan in de toekomst worden gebruikt om kleurenschermen te produceren.

Wetenschappers in de groep van Andrew deMello, hoogleraar Biochemical Engineering, lieten zich voor hun nieuwe technologie inspireren door vlinders. De vleugels van de soort Cynandra opis, afkomstig uit tropisch Afrika, zijn versierd met schitterende kleuren. Deze worden geproduceerd door uiterst ingewikkelde regelmatige oppervlaktestructuren in het groottebereik van de golflengte van zichtbaar licht. Door lichtstralen af ​​te buigen, versterken of neutraliseren deze structuren individuele kleurcomponenten van het licht. Onder leiding van deMello zijn de onderzoekers erin geslaagd de oppervlaktestructuren van Cynandra opis, evenals andere gewijzigde structuren, te repliceren met behulp van een nano-3D-printtechniek. Op deze manier creëerden ze een eenvoudig te gebruiken principe voor de productie van structuren die structurele kleuren genereren.

Er zijn talloze voorbeelden van dergelijke structurele kleuring in de natuur, waaronder onregelmatige oppervlaktestructuren, bijvoorbeeld gevonden bij andere vlindersoorten. "De reguliere nanostructuren op de vleugels van Cynandra opis waren echter bijzonder geschikt voor reconstructie met behulp van 3D-printen", legt Xiaobao Cao uit, een voormalige doctoraatsstudent van de deMello-groep en hoofdauteur van deze studie. De Cynandra opis-structuren bestaan ​​uit twee rasterlagen die loodrecht op elkaar zijn gestapeld, met een roosterafstand van ongeveer 1/2 tot 1 micrometer.

Heel kleurenpalet

Door deze roosterafstand en de hoogte van de roosterstaven te variëren tussen 250 nanometer en 1,2 micrometer, konden de ETH-onderzoekers 3D-geprinte structuren produceren die alle kleuren van het zichtbare spectrum genereren. Veel van deze kleuren komen niet voor in het natuurlijke model (de vlinder) waarop hun structuren zijn gebaseerd.

De onderzoekers slaagden erin om dergelijke oppervlakken te produceren met verschillende materialen, waaronder een transparant polymeer. "Dit maakte het mogelijk om de structuur van achteren te verlichten om de kleur naar voren te brengen", legt Stavros Stavrakis, een senior wetenschapper in deMello-groep en co-auteur van het onderzoek, uit. "Dit is de eerste keer dat we erin zijn geslaagd om alle kleuren van het zichtbare spectrum als structurele kleuren in een doorschijnend materiaal te produceren."

Beveiligingsfunctie

Als onderdeel van het onderzoek produceerden de wetenschappers een miniatuurafbeelding van veelkleurige structurele kleurenpixels van 2 bij 2 micrometer. Zulke kleine afbeeldingen zouden ooit als veiligheidskenmerk op bankbiljetten en andere documenten kunnen worden gebruikt. Omdat de kleuren met transparant materiaal kunnen worden geproduceerd, zou het ook mogelijk zijn om kleurfilters voor optische technologieën te vervaardigen. Dit past goed bij de hoofdonderzoeksactiviteit van de groep van ETH Professor deMello, die microfluïdische systemen ontwikkelt - geminiaturiseerde systemen voor chemische en biologische experimenten.

Grootschalige productie van nanostructuren is ook denkbaar, stellen de onderzoekers. Een negatieve structuur zou kunnen worden 3D-geprint om als sjabloon te dienen, waardoor het mogelijk wordt om grote aantallen reproducties te maken. Dit betekent dat het principe geschikt zou kunnen zijn voor de productie van kleurenschermen met een hoge resolutie, zoals dunne buigbare schermen. En tot slot wijzen de wetenschappers erop dat structurele kleuren de pigmenten kunnen vervangen die tegenwoordig worden gebruikt bij het printen en schilderen. Structurele kleuren hebben bepaalde voordelen ten opzichte van conventionele pigmenten:ze gaan langer mee omdat ze niet vervagen bij blootstelling aan licht, en in de meeste gevallen hebben ze een betere ecologische voetafdruk.

Het onderzoek is gepubliceerd in Advanced Materials . + Verder verkennen

Computational modeling verklaart waarom blauw en groen de helderste kleuren in de natuur zijn