De flesta föremål vi ser är färgade av pigment, men att använda pigment har nackdelar:sådana färger kan blekna, industriella pigment är ofta giftiga, och vissa färgeffekter är omöjliga att uppnå. Den naturliga världen, dock, uppvisar också strukturell färgning, där mikrostrukturen hos ett objekt får olika färger att visas. Påfågelfjädrar, till exempel, är pigmenterade bruna, men - på grund av långa håligheter i fjädrarna - återspeglar det vackra, iriserande blues och greener vi ser och beundrar. De senaste tekniska framstegen har gjort det praktiskt att tillverka den typ av nanostrukturer som resulterar i strukturell färgning, och datavetare från Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) och King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) har nu skapat ett beräkningsverktyg som automatiskt skapar 3D-mallar för nanostrukturer som motsvarar användardefinierade färger. Deras arbete visar på den stora potentialen för strukturell färgning i industrin, och öppnar möjligheter för icke-experter att skapa sina egna mönster. Detta projekt kommer att presenteras på årets bästa datorgrafikkonferens, SIGGRAPH 2018, av första författare och IST Österrike postdoc Thomas Auzinger.

De föränderliga färgerna på en kameleont och den iriserande bluesen och greenerna på morfofjärilen, bland många andra i naturen, är resultatet av strukturell färgning, där nanostrukturer orsakar störningar i ljus, resulterar i en mängd olika färger när de ses makroskopiskt. Strukturell färgning har vissa fördelar jämfört med färgning med pigment (där speciella våglängder absorberas), men tills nyligen, gränserna för teknik innebar att tillverka sådana nanostrukturer krävde högspecialiserade metoder. Nya inställningar för "direktlaserskrivning", dock, kostar ungefär lika mycket som en högkvalitativ industriell 3D-skrivare, och tillåta utskrift i skala med hundratals nanometer (100 - 1000 gånger tunnare än ett människohår), öppnar möjligheter för forskare att experimentera med strukturell färgning.

Än så länge, forskare har i första hand experimenterat med nanostrukturer som de observerat i naturen, eller med enkel, vanliga nanostrukturer (t.ex. rad efter rad pelare). Thomas Auzinger och Bernd Bickel från IST Austria, tillsammans med Wolfgang Heidrich från KAUST, dock, tog ett innovativt nytt tillvägagångssätt som skiljer sig åt på flera viktiga sätt. Först, de löser den omvända designuppgiften:användaren anger färgen de vill replikera, och sedan skapar datorn ett nanostrukturmönster som ger den färgen, snarare än att försöka reproducera strukturer som finns i naturen. Dessutom, "vårt designverktyg är helt automatiskt, "säger Thomas Auzinger." Ingen extra ansträngning krävs från användarens sida. "

Andra, nanostrukturerna i mallen följer inte ett visst mönster eller har en vanlig struktur; de verkar vara slumpmässigt sammansatta - en radikal paus från tidigare metoder, men en med många fördelar. "När jag tittar på mallen som produceras av datorn kan jag inte ens av strukturen se om jag ser ett mönster för blått eller rött eller grönt, "förklarar Auzinger." Men det betyder att datorn hittar lösningar som vi, som människor, kunde inte. Denna friformsstruktur är extremt kraftfull:den ger större flexibilitet och öppnar möjligheter för ytterligare färgeffekter. "Till exempel, deras designverktyg kan användas för att skriva ut en ruta som ser röd ut från en vinkel, och blå från en annan (känd som riktningsfärgning).

Till sist, tidigare ansträngningar har också snubblat när det gäller själva tillverkningen:mönstren var ofta omöjliga att skriva ut. Det nya designverktyget, dock, garanterar att användaren kommer att få en utskrivbar mall, vilket gör det extremt användbart för den framtida utvecklingen av strukturell färgning i industrin. "Designverktyget kan användas för att prototypa nya färger och andra verktyg, samt att hitta intressanta strukturer som kan tillverkas industriellt, "tillägger Auzinger. De första testerna av designverktyget har redan gett framgångsrika resultat." Det är fantastiskt att se något som består helt av tydliga material som ser färgat ut, helt enkelt på grund av strukturer som är osynliga för det mänskliga ögat, säger Bernd Bickel, professor vid IST Österrike. "Vi är ivriga att experimentera med ytterligare material, för att utöka effekterna vi kan uppnå. "

"Det är särskilt spännande att bevittna beräkningsverktygens växande roll i tillverkning, "avslutar Auzinger, "och ännu mer spännande att se expansionen av" datorgrafik "till att omfatta såväl fysiska som virtuella bilder."