3D-Druck dichroitischer Eigenschaften: 3D-gedruckter Becher mit Goldnanopartikeln wechselt seine Farbe

Bekannt als Lycurgus Cup wurde im 4. Jahrhundert ein Becher (wohl zufällig) erfunden, der bei wechselndem Lichteinfall seine Farbe ändert. Einem Forscher ist es jetzt gelungen mit Hilfe von 3D-Druck einen vergleichbaren Becher mit dichroitischen Eigenschaften herzustellen. Dafür verwendete er Goldnanopartikel.

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Lycurgus Cup
Der geschichtsträchtige Lycurgus Cup aus dem 3D-Drucker verändert seine Farbe bei sich änderndem Lichteinfall (Bild © Screenshot: 3D-grenzenlos Magazin; Videoquelle: Chemestry World/Vimeo).

Die Ursprünge von Materialien mit dichroitischen Eigenschaften reichen mindestens bis ins 4. Jahrhundert zurück, als der Lycurgus Cup (wahrscheinlich zufällig) hergestellt wurde, ein Glasgefäß, das bei Beleuchtung von vorne grün und bei Beleuchtung von hinten rot undurchsichtig erscheint. Der Effekt wird durch längliche Gold- und Silbernanopartikel verursacht, die einige Wellenlängen des Lichts reflektieren und gleichzeitig andere transmittieren, obwohl der Hersteller des Lycurgus-Cups das wahrscheinlich nicht wusste und nur die Metallpulver hinzufügte, um das Glas besonders glänzend zu machen.

Vittorio Saggiomo und seine Kollegen von der Universität Wageningen in den Niederlanden verstanden die Ursache dieses optischen Effekts, als sie eine Methode zum 3D-Drucken mit Goldnanopartikeln entwickelten, um Objekte mit dichroitischen Eigenschaften herzustellen. Veröffentlicht wurde die Arbeit von Sggiomo unter dem Titel „Plastic Embedded Gold Nanoparticles as 3D Printing Dichroic Nanocomposite Material„.

Vorgehen des Wissenschaftlers

Am Anfang stand die Herstellung einer dichroitischen Lösung mit einer modifizierten Version der Turkevich-Methode, die Goldionen mit Hilfe eines Citrat zu Goldnanopartikeln reduziert. Die Lösung durchläuft mehrere temporäre Farbänderungen, zunächst von gelb nach blau, und nach ein paar Minuten wechselt sie in ein dunkles Schwarz, bevor sie sich schließlich auf dem dichroitischen undurchsichtigen braun/transparenten Violett absetzt. Das Papier besagt:

„Die zeitabhängige Studie zeigt die Bildung kleiner Goldkeime, die sich im Zeitverlauf zu nanodrahtartigen Strukturen zusammenschließen, die mit der ersten Farbänderung einhergehen. Der zweite Farbwechsel von tintenschwarz zu violett geht mit einer Verstärkung der Streuung einher, die der violetten Lösung eine braune Reflexion verleiht. Beim Kochen fragmentiert das goldene Nanodrahtfragment und erzeugt Nanopartikel mit einem großen Kopf und einem schlanken und langen Schwanz, vergleichbar mit einer Kaulquappe. Mit der Zeit beginnt der Schwanz zu schrumpfen.“

Anschließend wurde die dichroitische Gold-Nanopartikellösung in Polyvinylalkohol (PVA) eingegossen, einem Kunststoff, der häufig zur Herstellung von Trägern auf 3D-Drucken verwendet wird, da er sich in Wasser löst. Dieser Kunststoff wurde zu einem Filament extrudiert, das auf jedem Standard-FDM-3D-Drucker (in diesem Fall war es ein Ultimaker 2) verwendet werden kann. Teile, die per 3D-Druckverfahren auf das Material gedruckt wurden, sehen braun aus, wobei das Licht auf der Vorderseite leuchtet, aber ein Licht hinter sich lassen und es geht zu einem transparenten Lila über.

Anwedungsbereiche

Der durch die Turkevich-Methode hervorgerufene Effekt ist ein in der Wissenschaft häufig untersuchtes Phänomen. Es ist eine dieser schönen Erscheinungen, die dort stattfinden, wo sich Physik und Chemie treffen. Die Verbindung des Lichtbiegeeffekts mit dem 3D-Druck wird dem alten Trick sicherlich eine neue Aufmerksamkeit verschaffen, zumal nur eine winzige Menge Goldnanopartikel benötigt wird, um das Ergebnis zu erzielen. Neben der Attraktivität für Künstler könnten dichroitische Kunststoffe auch für 3D-Druckoptiken und Sensoren eingesetzt werden. Sie wären nicht die ersten gedruckten 3D-Objektive.

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