För att överleva i extrema livsmiljöer har många djur och växter utvecklat briljanta förmågor som vi annars bara känner från superhjältar i filmer. I de flesta fall är deras förmågor baserade på de extraordinära egenskaperna hos deras ytor. Att efterlikna dessa egenskaper erbjuder en enorm potential inom ingenjörsområdet för att utveckla nya produkter och lösa tekniska problem. Forskarlag från Bochum och Kiel har lyckats efterlikna den strukturella färgen hos de berömda blå Morpho-fjärilarna med hjälp av en högprecisions 3D-utskriftsteknik som kallas två-fotonpolymerisation (2PP). Forskarna presenterar sina senaste rön i en artikel publicerad i Journal of Optical Microsystems den 2 september 2022.

Studien inom området biomimetik utfördes av forskare från Applied Laser Technologies vid Ruhr-Universität Bochum (RUB), under ledning av professor Andreas Ostendorf och professor Cemal Esen, och från gruppen Functional Morphology and Biomechanics vid Kiel University (CAU), ledd av professor Stanislav Gorb.

3D-utskrift av biologiskt inspirerade julgranar

2PP är en laserbaserad utskriftsteknik som möjliggör bearbetning av ljuskänsliga hartser i alla tre dimensioner. Till skillnad från konventionella utskriftstekniker är det alltså möjligt att skapa komplexa och sanna 3D-strukturer med hjälp av virtuella datormodeller utan behov av stödstrukturer. Dessutom möjliggör 2PP hög upplösning eftersom enstaka strukturella funktioner kan mäta en storlek ner till 100 nanometer. Detta antal motsvarar ungefär en tusendel av tjockleken på människohår.

3D-utskriftskapaciteten hos 2PP gjorde det möjligt för forskarna att producera hierarkiskt sammansatta strukturer i mikro- och nanometerskala. På så sätt kunde de efterlikna den strukturella färgen hos de blå Morpho-fjärilarna, inklusive deras extraordinära optiska egenskaper. Färgen på fjärilarna bildas av små julgransliknande strukturer på deras övre vingyta. Dessutom gör komplexa fysiska fenomen mellan ljus och julgranar det möjligt att observera den blå färgen som nästan vinkelokänslig. "Detta är mycket överraskande eftersom strukturella färger normalt verkar skimrande som en regnbåge när den genereras av liknande fysiska fenomen, såsom refraktion, till exempel", säger RUB-forskaren Gordon Zyla.

Biologiskt inspirerade strukturella färger för anti-förfalskningstillämpningar

I deras nuvarande arbete, publicerade i Journal of Optical Microsystems , presenterar forskarna en framgångsrik redesign av sina fjärilsinspirerade strukturer från tidigare publikationer. Omdesignerna gjorde det möjligt för dem att observera den resulterande vinkelokänsliga blå färgen enhetligt eller endast från specifika riktningar. För detta ändamål analyserade de först de optiska egenskaperna och morfologin hos vingytan på en Morpho didius-fjäril vid CAU. Baserat på sina upptäckter kom de fram till att de kan styra i vilken riktning den vinkelokänsliga färgen visas genom att ändra geometrin för deras hierarkiskt sammansatta strukturer endast på mikroskalan samtidigt som de fortfarande efterliknar fjärilens strukturer på nanoskala.

De nya designerna som författarna föreslagit lämpar sig till exempel för att tillverka mycket komplexa funktioner mot förfalskning. Sammantaget visar deras forskning den stora potentialen hos 2PP-tekniken för dess användning i biomimetik. I detta sammanhang antar författarna att en mängd olika funktionella strukturer från naturen kan efterliknas med 2PP i kombination med nya ljuskänsliga material. Således kan andra superkrafter som finns i organismer också göras tillgängliga för olika tekniska tillämpningar. Dessa är till exempel förbättrad vidhäftning och slitstyrka på olika ytor, superhydrofobicitet, vanligen kallad lotuseffekten, eller andra färger som används i naturen som varningssignaler, kamouflage eller intrasexuell kommunikation. + Utforska vidare

Använda fjärilsmorfologi för att 3D-printa färgade nanostrukturer