Camaleonti dai colori brillanti, farfalle, gli opali, e ora alcuni materiali stampati in 3D, riflettono il colore utilizzando strutture su nanoscala chiamate cristalli fotonici.

Sulla rivista è stato pubblicato un nuovo studio che dimostra come un processo di stampa 3D modificato fornisce un approccio versatile alla produzione di più colori da un singolo inchiostro Progressi scientifici .

Alcuni dei colori più vivaci in natura provengono da un fenomeno su scala nanometrica chiamato colorazione strutturale. Quando i raggi di luce si riflettono su queste strutture collocate periodicamente nelle ali e nella pelle di alcuni animali e all'interno di alcuni minerali, interferiscono in modo costruttivo l'uno con l'altro per amplificare determinate lunghezze d'onda e sopprimerne altre. Quando le strutture sono ben ordinate e abbastanza piccole, circa mille volte più piccole di un capello umano, i ricercatori hanno detto che i raggi producono una vivida esplosione di colori.

"È difficile riprodurre questi colori vivaci nei polimeri utilizzati per produrre articoli come vernici ecocompatibili e filtri ottici altamente selettivi, ", ha affermato il leader dello studio Ying Diao, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. "È necessario un controllo preciso della sintesi e della lavorazione dei polimeri per formare l'incredibilmente sottile, strati ordinati che producono il colore strutturale come vediamo in natura".

Lo studio riporta che mettendo a punto con attenzione il processo di assemblaggio di polimeri a forma di scovolino dalla struttura unica durante la stampa 3D, è possibile stampare cristalli fotonici con spessori di strato regolabili che riflettono lo spettro della luce visibile da un singolo inchiostro.

L'inchiostro contiene polimeri ramificati con due legami, segmenti chimicamente distinti. I ricercatori dissolvono il materiale in una soluzione che lega le catene polimeriche appena prima della stampa. Dopo la stampa e mentre la soluzione si asciuga, i componenti si separano su scala microscopica, formando strati su scala nanometrica che presentano proprietà fisiche diverse a seconda della velocità di assemblaggio.

"La più grande sfida della sintesi dei polimeri è combinare la precisione richiesta per l'assemblaggio su scala nanometrica con la produzione delle grandi quantità di materiale necessarie per il processo di stampa 3D, " ha detto il co-autore Damien Guironnet, professore di ingegneria chimica e biomolecolare.

Nel laboratorio, il team utilizza una stampante 3D di consumo modificata per mettere a punto la velocità con cui un ugello di stampa si muove su una superficie a temperatura controllata. "Avere il controllo sulla velocità e sulla temperatura di deposizione dell'inchiostro ci consente di controllare la velocità di assemblaggio e lo spessore dello strato interno su scala nanometrica, cosa che una normale stampante 3D non può fare, " ha detto Bijal Patel, uno studente laureato e autore principale dello studio. "Questo determina come la luce si rifletterà su di loro e, perciò, il colore che vediamo."

I ricercatori hanno affermato che lo spettro dei colori che hanno ottenuto con questo metodo è limitato, ma stanno lavorando per apportare miglioramenti imparando di più sulla cinetica dietro il modo in cui si formano i molteplici strati in questo processo.

Inoltre, il team sta lavorando per espandere la rilevanza industriale del processo, poiché il metodo attuale non è adatto per la stampa di grandi volumi. "Stiamo lavorando con Damien Guironnet, Charles Sing e Simon Rogers presso l'U. of I. per sviluppare polimeri e processi di stampa più facili da controllare, avvicinandoci all'abbinamento dei colori vibranti prodotti dalla natura, "Diao ha detto.

"Questo lavoro mette in evidenza ciò che è realizzabile quando i ricercatori iniziano a passare oltre concentrandosi sulla stampa 3D come solo un modo per mettere giù un materiale sfuso in forme interessanti, " Disse Patel. "Ecco, stiamo modificando direttamente le proprietà fisiche del materiale al momento della stampa e sbloccando nuovi comportamenti".