Lysande färgade kameleoner, fjärilar, opaler – och nu några 3-D-tryckta material – reflekterar färg genom att använda nanoskala strukturer som kallas fotoniska kristaller.

En ny studie som visar hur en modifierad 3D-utskriftsprocess ger en mångsidig metod för att producera flera färger från ett enda bläck publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Några av de mest levande färgerna i naturen kommer från ett fenomen i nanoskala som kallas strukturell färgning. När ljusstrålar reflekteras från dessa periodiskt placerade strukturer som finns i vingarna och skinnen på vissa djur och inom vissa mineraler, de interfererar konstruktivt med varandra för att förstärka vissa våglängder och undertrycka andra. När strukturerna är välordnade och tillräckligt små - ungefär tusen gånger mindre än ett människohår, forskarna sa - strålarna producerar en livlig färgskur.

"Det är utmanande att återskapa dessa livfulla färger i polymererna som används för att producera föremål som miljövänliga färger och mycket selektiva optiska filter, " sa studieledaren Ying Diao, en kemisk och biomolekylär ingenjörsvetenskapsprofessor vid University of Illinois i Urbana-Champaign. "Exakt kontroll av polymersyntes och bearbetning behövs för att bilda de otroligt tunna, ordnade lager som producerar den strukturella färgen som vi ser i naturen."

Studien rapporterar att genom att noggrant ställa in monteringsprocessen av unikt strukturerade flaskborstformade polymerer under 3D-utskrift, det är möjligt att skriva ut fotoniska kristaller med avstämbara lagertjocklekar som reflekterar det synliga ljusspektrumet från ett enda bläck.

Bläcket innehåller grenade polymerer med två bundna, kemiskt distinkta segment. Forskarna löser upp materialet till en lösning som binder polymerkedjorna strax före tryckning. Efter utskrift och när lösningen torkar, komponenterna separeras i mikroskopisk skala, bildar skikt i nanoskala som uppvisar olika fysiska egenskaper beroende på monteringshastigheten.

"Den största utmaningen med polymersyntesen är att kombinera den precision som krävs för monteringen i nanoskala med produktionen av de stora mängder material som krävs för 3D-utskriftsprocessen, "sa medförfattaren Damien Guironnet, professor i kemi- och biomolekylär teknik.

I labbet, teamet använder en modifierad konsument-3D-skrivare för att finjustera hur snabbt ett utskriftsmunstycke rör sig över en temperaturkontrollerad yta. "Att ha kontroll över hastigheten och temperaturen för bläckavsättningen gör att vi kan styra monteringshastigheten och den inre skikttjockleken på nanoskala, vilket en vanlig 3D-skrivare inte kan göra, " sa Bijal Patel, en doktorand och huvudförfattare till studien. "Det dikterar hur ljuset kommer att reflekteras från dem och, därför, färgen vi ser."

Forskarna sa att färgspektrumet de har uppnått med denna metod är begränsat, men de arbetar med att göra förbättringar genom att lära sig mer om kinetiken bakom hur de flera lagren bildas i denna process.

Dessutom, teamet arbetar med att utöka processens industriella relevans, eftersom den nuvarande metoden inte lämpar sig väl för tryck i stora volymer. "Vi arbetar med Damien Guironnet, Charles Sing och Simon Rogers grupperar vid U. of I. för att utveckla polymerer och tryckprocesser som är lättare att kontrollera, som för oss närmare att matcha de livfulla färgerna som produceras av naturen, " sa Diao.

"Det här arbetet belyser vad som är möjligt när forskare börjar gå förbi att fokusera på 3D-utskrift som bara ett sätt att lägga ner ett bulkmaterial i intressanta former, " sa Patel. "Här, vi ändrar direkt de fysiska egenskaperna hos materialet vid tryckpunkten och låser upp nytt beteende."