Cristalli liquidi colesterici, un materiale artificiale con proprietà tra liquidi e cristalli solidi, può imitare i colori delle ali delle farfalle. I cristalli liquidi sono utilizzati in televisori e smartphone, ma le applicazioni future per i sensori sanitari o l'illuminazione decorativa sono difficili in quanto i materiali non possono essere utilizzati in avanzato, metodi di produzione rapida come la stampa 3D. I materiali non sono abbastanza viscosi da rendere stabili, strutture solide, ed è difficile allineare le molecole per produrre colori specifici. I ricercatori di TU/e ​​hanno risolto questi problemi sviluppando un nuovo inchiostro a cristalli liquidi riflettente la luce che può essere utilizzato con le tecniche di stampa 3D esistenti. La nuova ricerca è stata pubblicata sulla rivista Materiale avanzato .

In natura, materiali iridescenti, che mostrano un cambiamento di colore se visti da diverse angolazioni, si trova nelle ali delle farfalle e nella madreperla (o madreperla) nel guscio interno dei molluschi.

Una versione artificiale di questi materiali naturali è il cristallo liquido colesterico, che è già stato utilizzato come materiale "intelligente" nei riflettori di luce, finestre commutabili, e sintonizzabili collettori di energia solare.

Per applicazioni sanitarie in sensori indossabili morbidi o illuminazione decorativa, i cristalli liquidi colesterici sono ideali. Fino ad ora però, mancava un modo semplice per produrre questi materiali e realizzare dispositivi con questi materiali.

Ricercatori del dipartimento di Ingegneria Chimica e Chimica del TU/e ​​in collaborazione con TNO, DSM, Brightlands Materials Center (nel consorzio DynaM), e SABIC hanno creato un inchiostro a base di elastomeri a cristalli liquidi ispirato alla natura che può essere stampato in 3D su una superficie tramite Direct-Ink-Writing (DIW). L'autore principale dello studio è Ph.D. candidato Jeroen Sol, con Albert Schenning e Michael Debije del gruppo Stimoli-responsive Functional Materials and Devices (SFD) a capo del progetto di ricerca.

"DIW è un approccio di stampa 3D basato sull'estrusione in cui un inchiostro viene erogato da un piccolo ugello su una superficie strato per strato. Gli attuali inchiostri a cristalli liquidi colesterici non possono essere stampati con DIW, così abbiamo creato un inchiostro a cristalli liquidi compatibile con DIW, "dice Sol.

Il nuovo inchiostro a cristalli liquidi ha diverse proprietà chiave. Primo, le proprietà di riflessione della luce dell'inchiostro si basano sul preciso allineamento elicoidale delle molecole in tutto il materiale che richiede una messa a punto del processo di stampa. Secondo, le molecole nell'inchiostro possono autoassemblarsi in tali strutture che mostrano colori simili ai materiali iridescenti naturali, come quelli in ali di farfalla. Terzo, il nuovo inchiostro ha una viscosità maggiore rispetto agli inchiostri precedenti, che lo rende adatto alla stampa DIW.

Finalmente, il nuovo inchiostro è nuovo, facile da fare, facile da elaborare, e basato su materiali precedentemente sviluppati dal gruppo di ricerca SFD presso TU/e ​​per rivestimenti riflettenti la luce, che lo rendono adatto alla stampa 3D.

Ali di farfalla

"Per stampare correttamente il nuovo inchiostro con DIW, abbiamo variato parametri come la velocità di stampa e la temperatura. E per far stampare correttamente l'inchiostro, abbiamo anche realizzato un inchiostro contenente cristalli liquidi a basso peso molecolare, " nota Sol. Piuttosto impressionante, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare il nuovo inchiostro per stampare ali di farfalla sintetiche!

Con grande sorpresa dei ricercatori, però, sono stati anche in grado di controllare l'allineamento molecolare su scala nanometrica in modo molto accurato variando la velocità di stampa. Ciò ha permesso ai ricercatori di avere un maggiore controllo sull'aspetto e sulle proprietà di riflessione della luce del materiale. "Tradizionalmente, questo livello di controllo è possibile solo con dispositivi di fabbricazione molto specializzati, quindi farlo con il nuovo inchiostro e la stampa 3D DIW è una vera svolta, "dice Sol.

Applicazioni future

Dato che il nuovo inchiostro a cristalli liquidi può essere stampato con DIW, potrebbe essere utilizzato in future procedure di stampa per dispositivi medici personalizzati come biosensori indossabili sottili che interagiscono visivamente e in modo colorato con chi lo indossa.

"Cosa c'è di più, la combinazione del nostro nuovo inchiostro e DIW può essere utilizzata per stampare le strutture ottiche specializzate necessarie per le cuffie per realtà aumentata in cui le immagini della vita reale e artificiali sono perfettamente combinate, " dice Sol eccitato. "I nuovi materiali potrebbero trovare la loro strada nelle HoloLenses del futuro, ora sarebbe qualcosa di straordinario!"