Färgerna i världen omkring oss produceras antingen genom absorption av ljus av molekyler (pigmentfärger) eller spridning av ljus av nanostrukturer (strukturella färger). Naturen ger många spektakulära exempel på strukturella färger - de ljusa färgerna hos vissa fjärilar, skalbaggar, fiskar eller fåglar (tänk påfåglar) beror på nanostrukturer som gör att de reflekterade ljusvågorna överlappar varandra. Strukturell färgning sker på ytor med en nanostruktur med dimensioner som liknar våglängden för det infallande ljuset (vanligtvis under en mikron). Dessa ordnade nanostrukturer är kända som fotoniska kristaller.

Stimuli-känsliga färger är en unik egenskap hos vissa djur, utvecklad som antingen en metod för att gömma sig från fiender och bytesdjur eller för att kommunicera deras närvaro till rivaler eller kompisar. Kameleoner, till exempel, har den anmärkningsvärda förmågan att uppvisa komplexa och snabba färgförändringar. Forskare fick reda på att färgförändringarna sker via den aktiva inställningen av ett gitter av nanokristaller som finns i ett ytligt lager av hudceller som kallas iridoforer. Andra strukturella färger i naturen har visat sig vara känsliga för kemikalier eller fukt.

Ur ett materialvetenskapligt perspektiv har de lösningar som utvecklats av naturen för att uppnå dessa effekter varit en inspirationskälla för forskare i decennier. Ett färskt exempel är 3D-utskrift med stimuli-känsliga material, så kallad 4D-utskrift. 4D-utskrift gör det möjligt för 3D-utskrivna strukturer att ändra sina konfigurationer över tiden och används inom en mängd olika områden som mjuk robotik, flexibel elektronik och medicinsk utrustning.

Att utöka 4D-utskrift till strukturellt färgade bläck har varit målet för gruppen Stimuli-responsiva funktionella material och enheter vid Eindhovens tekniska universitet. Eftersom teamet såg avsaknaden av synligt färgat 4D-material, gav sig teamet ut på att designa ett. Som ett resultat rapporterar de i Avancerat funktionsmaterial ("Direct Ink Writing of 4D Structural Colors") utvecklingen av ett vattenreagerande kolesteriskt flytande kristallbläck och den åtföljande proceduren för direkt bläckskrivning (DIW). Som forskarna visar i sin uppsats, bildar det fuktkänsliga kolesteriska flytande kristalloligomerbläcket efter 3D-utskrift en kolesterisk fas med synlig, färgad reflektion, och efter tvärbindning och aktivering ändrar den reversibelt volym och reflekterad färg baserat på hydratiseringstillstånd.

"Detta är den första demonstrationen av ett fuktkänsligt färgskiftande bläck för extrudering av 3D-utskrift", säger Michael G. Debije, biträdande professor vid TU Eindhoven, till Nanowerk. "Vi kan nu producera datorstödda konstruktioner av avkänningsenheter med en markerad visuell signal - en dramatisk förändring av reflektionsfärgen - mot användaren."

"Vi designade ett speciellt fotoniskt bläck för 3D-utskrift från grunden, med början med noggrant urval av de molekylära byggstenarna som ger oss vattenkänslighet och färgade utseende", förklarar Jeroen Sol, tidningens första författare. "Färgen kommer från vad som kallas en 'kolesterisk flytande kristall', en specifik molekylär staplingsordning som interagerar selektivt med specifika färger av synligt ljus."

I tidigare arbete ("Anisotropic Iridescence and Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral Photonic Polymer") har forskarna redan visat möjligheten att skriva ut kolesteriskt färgade objekt med hjälp av mikroextrudering 3D-utskrift. I detta aktuella arbete har de lagt till en funktion som länge är känd från flytande kristallina polymerer:ett autonomt stimulussvar. "Vi föreställer oss att det här arbetet kommer att utgöra grunden för 3D-utskrivna optiska avkänningsenheter, men kommer också att fungera som en grund för utvecklingen av andra responsiva 3D-utskriftsbläck," noterar Sol.

Teamet använde två enheter för att lyfta fram potentialen hos DIW-känsliga kolesteriska bläck:ett 4D-utskrivet färgskiftande element på 3D-utskrivna objekt och ett helt 4D-utskrivet, formförändrande, strukturellt färgat objekt.

Som har visats för fotoniska polymermaterial tidigare, kan omfattningen av dess vattensvar typiskt programmeras med andra kemiska arter som påverkar graden av polaritet. Dessa kan till exempel vara joner eller små bioaktiva molekyler. Som detta arbete visar kan det i framtiden vara möjligt att designa 3D-utskrivbara, batterifria sensorer som riktar in sig på viktiga biomarkörer eller genomsyrar känslighet för tungmetalljoner som förorenar vattenkällor.

För tillfället arbetar teamet med att designa 3D-utskriftsbläck med andra typer av stimuli-svar, såsom svar på ändrade ljusförhållanden, och så småningom integrationen av flera olika 4D-bläck i enstaka enheter som blir multifunktionella. "Helst, genom att inkludera responsiva element i dessa polymerer, kan vi skapa material som både kan känna av och reagera på deras miljö, kanske till och med tillåta kommunikation mellan individuella enheter också för att generera en nivå av autonomi för en samling individuella enheter," avslutar Debije . + Utforska vidare

Glansfärgad 3D-utskrift med flytande kristaller