Forskare från ETH Zürich har skapat artificiella färger genom att 3D-printa vissa nanostrukturer inspirerade av en fjärils. Denna princip kan användas i framtiden för att producera färgskärmar.

För sin nya teknik hämtade forskare i gruppen Andrew deMello, professor i biokemiteknik, inspiration från fjärilar. Vingarna på arten Cynandra opis, hemmahörande i tropiska Afrika, är dekorerade med lysande färger. Dessa produceras av extremt intrikata regelbundna ytstrukturer i storleksintervallet för våglängden av synligt ljus. Genom att avleda ljusstrålar förstärker eller eliminerar dessa strukturer individuella färgkomponenter i ljuset. Under ledning av deMello har forskarna lyckats replikera ytstrukturerna hos Cynandra opis, såväl som andra modifierade strukturer, med hjälp av en nano-3D-utskriftsteknik. På så sätt skapade de en lättanvänd princip för produktion av strukturer som genererar strukturella färger.

Det finns många exempel på sådan strukturell färgning i naturen, inklusive oregelbundna ytstrukturer - till exempel som finns hos andra fjärilsarter. "De vanliga nanostrukturerna på Cynandra opis vingar var dock särskilt väl lämpade för rekonstruktion med 3D-utskrift", förklarar Xiaobao Cao, en tidigare doktorand i deMello-gruppen och huvudförfattare till denna studie. Cynandra opis-strukturerna består av två rutnätsskikt staplade vinkelrätt mot varandra, med ett gitteravstånd på cirka 1/2 till 1 mikrometer.

Hela färgpaletten

Genom att variera detta gitteravstånd och höjden på gitterstavarna i intervallet mellan 250 nanometer och 1,2 mikrometer, kunde ETH-forskarna producera 3D-utskrivna strukturer som genererar alla färgerna i det synliga spektrumet. Många av dessa färger förekommer inte i den naturliga modellen (fjärilen) som deras strukturer är baserade på.

Forskarna lyckades tillverka sådana ytor med olika material, bland annat en transparent polymer. "Detta gjorde det möjligt att belysa strukturen bakifrån för att få fram färgen", förklarar Stavros Stavrakis, senior forskare i deMello-gruppen och medförfattare till studien. "Det här är första gången vi har lyckats producera alla färger i det synliga spektrumet som strukturella färger i ett genomskinligt material."

Säkerhetsfunktion

Som en del av studien producerade forskarna en miniatyrbild av flerfärgade strukturella färgpixlar som mäter 2 x 2 mikrometer. Sådana små bilder skulle en dag kunna användas som en säkerhetsfunktion på sedlar och andra dokument. Eftersom färgerna kan framställas med transparent material skulle det även vara möjligt att tillverka färgfilter för optisk teknik. Detta stämmer väl överens med den huvudsakliga forskningsverksamheten inom ETH Professor deMellos grupp, som utvecklar mikrofluidsystem – miniatyriserade system för kemiska och biologiska experiment.

Storskalig produktion av nanostrukturer är också tänkbar, menar forskarna. En negativ struktur skulle kunna 3D-printas för att fungera som en mall, vilket skulle göra det möjligt att producera ett stort antal reproduktioner. Detta innebär att principen kan vara lämplig för tillverkning av högupplösta färgskärmar, såsom tunna böjbara skärmar. Och slutligen påpekar forskarna att strukturella färger kan ersätta de pigment som används idag i tryckning och målning. Strukturella färger har vissa fördelar jämfört med konventionella pigment:de håller längre eftersom de inte bleknar när de utsätts för ljus, och i de flesta fall har de ett bättre miljöavtryck.

Forskningen publicerades i Advanced Materials . + Utforska vidare

Beräkningsmodellering förklarar varför blått och grönt är de ljusaste färgerna i naturen