Ein Forschungsteam der University of Pennsylvania hat eine neue Methode vorgestellt, mit der sich farbverändernde Materialien in komplexen 3D-Strukturen drucken lassen. Dabei handelt es sich um cholesterische Flüssigkristall-Elastomere (CLCEs), die auf mechanischen Stress reagieren und ihre Farbe ändern können. Diese Entwicklung bietet neue Möglichkeiten für Anwendungen in Bereichen wie Sensorik, Robotik und Displays.
Das Coaxial Direct Ink Writing-Verfahren
Im Zentrum der Innovation steht eine Technik namens „Coaxial Direct Ink Writing“ (DIW), die es ermöglicht, CLCEs in filigranen, mechanisch stabilen Strukturen zu verarbeiten. Ein zentrales Problem bisheriger Verfahren war, dass die hochviskose Flüssigkristall-Tinte beim Extrudieren durch die Druckdüse die typischen helikalen Strukturen verlor, die für die Farbänderung verantwortlich sind.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team unter Leitung von Shu Yang, Professorin für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, eine transparente Silikonhülle, die den CLCE-Kern umschließt. Diese Hülle wirkt wie ein Gerüst, das die innere Struktur stabilisiert und gleichzeitig die optischen Eigenschaften des Materials bewahrt.
„Die Farbveränderungen entstehen durch die Fähigkeit des Materials, Licht zu manipulieren – ähnlich wie die Schale eines Käfers Licht reflektiert, um ein buntes Erscheinungsbild zu erzeugen“, erklärt Yang. Laut ihr könnten die neuen Materialien weitreichende Probleme in Medizin, Diagnostik, Umweltüberwachung oder sogar in der Kunst lösen.
Alicia Ng, Doktorandin am Fachbereich Materialwissenschaften und Hauptautorin der Studie, beschreibt die Materialkombination als Schlüsselelement:
„Wir haben eine transparente Silikonhülle entwickelt, die dem CLCE-Kern als strukturelle Unterstützung dient. Damit lassen sich nicht nur die Farbfähigkeiten erhalten, sondern auch komplexe dreidimensionale Formen umsetzen.“
Die neue Technik ermöglicht die Herstellung sogenannter multistabiler Strukturen – also Formen, die mehrere stabile Zustände einnehmen können. Diese Eigenschaft ist besonders interessant für adaptive Systeme, die sich an veränderte Umgebungen oder Belastungen anpassen müssen.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht und ist ein weiterer Schritt hin zu funktionsintegrierten Materialien im 3D-Druck. Perspektivisch könnten diese Entwicklungen in flexiblen elektronischen Komponenten, tragbaren Diagnosegeräten oder auch als responsive Oberflächen in Robotersystemen Anwendung finden.
