Auf dem Weg zum 4D-Druck mit Strukturfarben

Die Farben in der Welt um uns herum werden entweder durch Absorption von Licht durch Moleküle (Pigmentfarben) oder Streuung von Licht durch Nanostrukturen (Strukturfarben) erzeugt. Die Natur bietet viele spektakuläre Beispiele für strukturelle Farben – die leuchtenden Farben einiger Schmetterlinge, Käfer, Fische oder Vögel (denken Sie an Pfauen) sind auf Nanostrukturen zurückzuführen, die bewirken, dass sich die reflektierten Lichtwellen überlagern. Eine strukturelle Färbung tritt auf Oberflächen mit einer Nanostruktur auf, deren Abmessungen ähnlich denen der Wellenlänge des einfallenden Lichts sind (typischerweise unter einem Mikrometer). Diese geordneten Nanostrukturen sind als photonische Kristalle bekannt.

Auf Reize reagierende Farben sind ein einzigartiges Merkmal bestimmter Tiere, die entweder als Methode entwickelt wurden, um sich vor Feinden und Beute zu verstecken oder um ihre Anwesenheit Rivalen oder Gefährten mitzuteilen. Chamäleons zum Beispiel haben die bemerkenswerte Fähigkeit, komplexe und schnelle Farbwechsel zu zeigen. Die Forscher fanden heraus, dass die Farbänderungen über die aktive Abstimmung eines Gitters aus Nanokristallen stattfinden, die in einer oberflächlichen Schicht von Hautzellen namens Iridophoren vorhanden sind. Es wurde festgestellt, dass andere Strukturfarben in der Natur auf Chemikalien oder Feuchtigkeit ansprechen.

Aus materialwissenschaftlicher Sicht sind die von der Natur entwickelten Lösungen zur Erzielung dieser Effekte seit Jahrzehnten eine Quelle der Inspiration für Wissenschaftler. Ein aktuelles Beispiel ist der 3D-Druck mit stimuliresponsiven Materialien, der sogenannte 4D-Druck. Der 4D-Druck ermöglicht es 3D-gedruckten Strukturen, ihre Konfiguration im Laufe der Zeit zu ändern, und wird in einer Vielzahl von Bereichen wie Softrobotik, flexibler Elektronik und medizinischen Geräten eingesetzt.

Die Ausweitung des 4D-Drucks auf strukturell gefärbte Tinten war das Ziel der Stimuli-responsive Functional Materials & Devices-Gruppe an der Technischen Universität Eindhoven. Das Team sah das Fehlen von sichtbar farbigen 4D-Materialien und machte sich daran, eines zu entwerfen. Infolgedessen melden sie sich Fortschrittliche Funktionsmaterialien („Direct Ink Writing of 4D Structural Colors“) die Entwicklung einer auf Wasser ansprechenden cholesterischen Flüssigkristalltinte und das begleitende Direct Ink Writing (DIW)-Verfahren. Wie die Forscher in ihrem Artikel zeigen, bildet die feuchtigkeitsempfindliche cholesterische Flüssigkristall-Oligomertinte nach dem 3D-Druck eine cholesterische Phase mit sichtbarer, farbiger Reflexion und ändert nach Vernetzung und Aktivierung reversibel Volumen und reflektierte Farbe basierend auf dem Hydratationszustand.

„Dies ist die erste Demonstration einer auf Feuchtigkeit reagierenden Farbwechseltinte für den Extrusions-3D-Druck“, sagt Michael G. Debije, Assistenzprofessor an der TU Eindhoven, gegenüber Nanowerk. „Wir können jetzt computergestützte Designs von Sensorgeräten mit einem deutlichen visuellen Signal – einer dramatischen Änderung der Reflexionsfarbe – für den Benutzer erstellen.“

„Wir haben von Grund auf eine spezielle photonische Tinte für den 3D-Druck entwickelt, beginnend mit einer sorgfältigen Auswahl der molekularen Bausteine, die uns die Wasserempfindlichkeit und das farbige Aussehen verleihen“, erklärt Jeroen Sol, der Erstautor der Veröffentlichung. „Die Farbe kommt von einem sogenannten ‚cholesterischen Flüssigkristall‘, einer bestimmten molekularen Stapelordnung, die selektiv mit bestimmten Farben des sichtbaren Lichts interagiert.“

In früheren Arbeiten („Anisotrope Iridescence and Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral Photonic Polymer“) demonstrierten die Forscher bereits die Möglichkeit, cholesterisch gefärbte Objekte mittels Mikroextrusions-3D-Druck zu drucken. In dieser vorliegenden Arbeit haben sie eine von flüssigkristallinen Polymeren seit langem bekannte Funktion hinzugefügt: eine autonome Stimulus-Response. „Wir stellen uns vor, dass diese Arbeit die Grundlage für 3D-gedruckte optische Sensorgeräte bilden wird, aber auch als Grundlage für die Entwicklung anderer reaktionsfähiger 3D-Drucktinten dienen wird“, bemerkt Sol.

Das Team verwendete zwei Geräte, um das Potenzial von DIW-responsiven cholesterischen Tinten hervorzuheben: ein 4D-gedrucktes Farbänderungselement auf 3D-gedruckten Objekten und ein vollständig 4D-gedrucktes, formänderndes, strukturell gefärbtes Objekt.

Wie in der Vergangenheit für photonische Polymermaterialien gezeigt wurde, kann das Ausmaß seiner Reaktion auf Wasser typischerweise mit anderen chemischen Spezies programmiert werden, die den Grad der Polarität beeinflussen. Dies können beispielsweise Ionen oder kleine bioaktive Moleküle sein. Wie diese Arbeit zeigt, könnte es in Zukunft möglich sein, 3D-druckbare, batterielose Sensoren zu entwickeln, die auf wichtige Biomarker abzielen oder die Empfindlichkeit gegenüber Schwermetallionen erhöhen, die Wasserquellen kontaminieren.

Derzeit arbeitet das Team an der Entwicklung von 3D-Drucktinten mit anderen Arten von Stimuli-Reaktionen, wie z. B. der Reaktion auf wechselnde Lichtverhältnisse, und schließlich an der Integration mehrerer verschiedener 4D-Tinten in einzelne Geräte, die multifunktional werden. „Idealerweise können wir durch den Einbau reaktionsfähiger Elemente in diese Polymere Materialien schaffen, die ihre Umgebung sowohl wahrnehmen als auch darauf reagieren können und vielleicht sogar die Kommunikation zwischen einzelnen Geräten ermöglichen, um ein gewisses Maß an Autonomie für eine Sammlung einzelner Einheiten zu erzeugen“, schließt Debije .