Forscher der ETH Zürich haben eine Methode, orientiert an einem Schmetterling, entwickelt, mit der sie das gesamte Farbspektrum mit 3D-Druck abbilden können. Die Farbdruckmethode könnte sich für Authentifizierungszwecke auf Banknoten oder auch bei der Herstellung flexibler Bildschirme eignen. Wir stellen die neue Methode einmal genauer vor.

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Forschern der ETH Zürich konnten, inspiriert von den Flügeln des afrikanischen Schmetterlings Cynandra opis, künstlich gefärbte Nanostrukturen mit 3D-Druck herstellen. Der Flügel der afrikanischen Schmetterlingsart Cynandra opis hebt sich durch besonders leuchtende Farben hervor. Die Farben basieren nicht auf Pigmenten, sondern sind strukturell. Sie werden durch komplizierte Nanostrukturen auf der Oberfläche der Flügel erzeugt. Durch die Ablenkung und Brechung des sichtbaren Lichts verstärken die Flügel der Cynandra opis bestimmte Farbkomponenten. Das führt zu einem edelsteinartigen Glanz.

Ihre Studie veröffentlichten sie in einem Artikel im Fachmagazin Advanced Materials mit dem Titel „Replicating the Cynandra opis Butterfly’s Structural Color for Bioinspired Bigrating Color Filters„. An der University of Illinois Urbana-Champaign haben Forscher mit einem modifizierten 3D-Druckprozess einen Ansatz zum 3D-Druck mehrerer Farben mit einer einzigen Tinte entwickelt.

Cynandra opis
Als Vorbild für die Methode der Forscher aus Zürich dient der Cynandra opis (Bild © ETH Zürich).

Details zur Arbeit

Der Professor für Bioverfahrenstechnik Andrew deMello leitete die Forschungsgruppe an der ETH Zürich, der es gelang, die natürlich vorkommenden Strukturen mit maßgeschneiderter Nanodrucktechnik nachzubilden.

Xiaobao Cao, Erstautor der Studie, erklärt:

„Die regelmäßigen Nanostrukturen auf den Flügeln von Cynandra opis eigneten sich besonders gut für die Rekonstruktion mittels 3D-Druck.“

Die Flügel des Cynandra opis bestehen unter dem Mikroskop betrachtet aus einem zweidimensionalen Gitter aus übereinandergestapelten Stäbchen. Der Abstand zwischen den Stäbchen beträgt zwischen 0,5 und 1 Mikrometer.

Der 3D-Druck identischer Stäbchengitter mit unterschiedlichen Abständen und Höhen zwischen 250 Nanometern und 1,2 Mikrometern zeigte den Forschern, dass sie praktisch jede Farbe im sichtbaren Spektrum erzeugen können. Ein Teil der in der Studie erzielten Farbtöne stammen nicht einmal aus den Flügeln des Cynandra opis. Die Nanostrukturen wurden mit verschiedenen Materialien wie zum Beispiel transparenten Polymeren mit einem 3D-Drucker gedruckt.

Stavros Stavrakis, Co-​Autor der Studie, sagte:

„Dadurch war es möglich, die Struktur von hinten zu beleuchten, um die Farbe hervorzuheben. Zum ersten Mal ist es uns gelungen, alle Farben des sichtbaren Spektrums als Strukturfarben in einem durchscheinenden Material zu erzeugen.“

Anwendungsmöglichkeiten

Das ETH-Team druckte ein winziges 2 x 2 Mikrometer großes Bild aus strukturellen Farbpixeln. Ähnliche winzige Bilder könnten für Authentifizierungszwecke auf Banknoten und anderen Dokumenten verwendet werden. Da auch der 3D-Druck mit transparenten Materialien möglich ist, könnten die Farben auch als Farbfilter für optische Geräte eingesetzt werden. DeMellos Forschungsruppe hat sich auf die Entwicklung mikrofluidischer Systeme spezialisiert. Mit den aktuellen Arbeiten könnten Systeme für chemische und biologische Experimente miniaturisiert werden.

Das ETH-Team erklärt außerdem, dass eine großtechnische Produktion der Farbpixel machbar wäre. Das würde neuartige hochauflösende Farbdisplays ermöglichen oder auch flexible Bildschirme. Die 3D-gedruckten Strukturfarben sind für die Forscher eine adäquate Alternative zu den beim Drucken und Lackieren verwendeten Pigmenten. Sie werden nicht nur aufgrund der Beständigkeit gegen UV-induziertes Ausbleichen länger halten, sondern auch eine bessere Umweltbilanz bieten.

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