Forscher der University of Illinois at Urbana-Champaign haben ein Phänomen der Natur für die Entwicklung eines 3D-Druckverfahrens zur Erzeugung mehrerer Farben mit einer einzigen Tinte genutzt. Das Vorbild war die strukturelle Färbung, wie sie von Chamäleons und anderen Bereichen aus der Natur bekannt ist. Wir stellen die Forschungsarbeit vor.

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Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben mit einem modifizierten 3D-Druckprozess einen Ansatz zum 3D-Druck mehrerer Farben mit einer einzigen Tinte entwickelt, wie die Universität berichtet. Dabei entstanden synthetische, strukturbasierte Farbmaterialien wie sie in der Haut eines Chamäleons vorhanden sind und konnten für den 3D-Druck mit Polymerfarben verwendet werden. Die Reflektion der Farbe ergab sich mithilfe von nanoskaligen Strukturen, die als photonische Kristalle bezeichnet werden.

Die Farben eines Chamäleons

Ein nanoskaliges Phänomen, das auch als strukturelle Färbung bezeichnet wird, sorgt bei einem Chamäleon für eindrucksvolle Farben. Lichtstrahlen werden von periodisch platzierten Strukturen reflektiert, die sich in den Flügeln und der Haut der Tiere befinden. Sie interferieren konstruktiv miteinander, um bestimmte Wellenlängen zu verstärken und andere zu unterdrücken. Durch Strukturen, die klein genug und gut geordnet sind, erzeugen Strahlen einen lebendigen Farbstoß. Die Natur war für Forscher auch Vorbild bei der Entwicklung eines individuellen Futterautomaten für den Zoo in Cincinnati.

Bild eines Chamäleons
Ein nanoskaliges Phänomen, das auch als strukturelle Färbung bezeichnet wird, sorgt bei einem Chamäleon für eindrucksvolle Farben (Bild © Diao Research Group).

Studienleiter Ying Diao, Professor für Chemieingenieurwesen und Biomolekulartechnik an der University of Illinois in Urbana-Champaign, erklärt, dass die Reproduktion dieser lebendigen Farben in Polymeren, die zur Herstellung umweltfreundlicher Farben und hochselektiver optischer Filter verwendet werden, schwierig sei. Polymersynthesen und deren Verarbeitung müssen dabei genau kontrolliert werden, um die dünnen, geordneten Schichten zu bilden, die die Strukturfarbe erzeugen.

Der Druckprozess

Wird der Montageprozess von einzigartig strukturierten flaschenbürstenförmigen Polymeren sorgfältig justiert, können während des 3D-Drucks photonische Kristalle mit einstellbaren Schichtdicken gedruckt werden, die das sichtbare Lichtspektrum einer einzelnen Tinte reflektieren. Die Tinte enthält verzweigte Polymere mit zwei gebundenen, chemisch getrennten Segmenten. Die Forscher lösen das Material in einer Lösung auf, wodurch Polymerketten unmittelbar vor dem Drucken gemischt werden. Die Komponenten trennen sich nach dem Drucken und dem Trocknen der Lösung und bilden nanoskalige Schichten, die je nach Montagegeschwindigkeit unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen.

Die Forscher erklären, dass die größte Herausforderung bei der Polymersynthese darin bestünde, die für die nanoskalige Montage erforderliche Präzision mit der Herstellung der für den 3D-Druckprozess erforderlichen großen Materialmengen zu kombinieren. Ein modifizierter Desktop-3D-Drucker hilft bei der Optimierung der Bewegungsgeschwindigkeit der Druckdüse über eine temperaturgesteuerte Oberfläche.

Weitere Verbesserungen geplant

„Durch die Kontrolle über die Geschwindigkeit und Temperatur der Tintenabscheidung können wir die Geschwindigkeit des Zusammenbaus und die Dicke der inneren Schicht im Nanobereich steuern, was ein normaler 3D-Drucker nicht kann“, sagte Bijal Patel, Doktorand und Hauptautor der Studie. “Das bestimmt, wie Licht von ihnen reflektiert wird und daher die Farbe, die wir sehen.“

Das Farbspektrum, das mit dieser Methode erreicht wird, ist begrenzt. Mit weiteren Informationen über die Kinetik, die hinter der Bildung mehrerer Schichten in diesem Prozess steckt, können die Forscher noch Verbesserungen erzielen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden im Fachjournal ScienceAdvances unter dem Titel „Tunable structural color of bottlebrush block copolymers through direct-write 3D printing from solution“ veröffentlicht.

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