I colori nel mondo che ci circonda sono prodotti attraverso l'assorbimento della luce da parte di molecole (colori pigmentari) o la diffusione della luce da parte di nanostrutture (colori strutturali). La natura fornisce molti esempi spettacolari di colori strutturali:i colori brillanti di alcune farfalle, scarafaggi, pesci o uccelli (si pensi ai pavoni) sono dovuti a nanostrutture che causano la sovrapposizione delle onde luminose riflesse. La colorazione strutturale avviene su superfici con una nanostruttura con dimensioni simili a quelle della lunghezza d'onda della luce incidente (tipicamente inferiori al micron). Queste nanostrutture ordinate sono conosciute come cristalli fotonici.

I colori sensibili agli stimoli sono una caratteristica unica di alcuni animali, evoluti come metodo per nascondersi da nemici e prede o per comunicare la loro presenza a rivali o compagni. I camaleonti, ad esempio, hanno la notevole capacità di mostrare cambiamenti di colore complessi e rapidi. I ricercatori hanno scoperto che i cambiamenti di colore avvengono tramite la messa a punto attiva di un reticolo di nanocristalli presenti in uno strato superficiale di cellule dermiche chiamate iridofori. È stato riscontrato che altri colori strutturali in natura rispondono alle sostanze chimiche o all'umidità.

Dal punto di vista della scienza dei materiali, le soluzioni sviluppate dalla natura per ottenere questi effetti sono state fonte di ispirazione per gli scienziati per decenni. Un esempio recente è la stampa 3D con materiali sensibili agli stimoli, chiamata stampa 4D. La stampa 4D consente alle strutture stampate in 3D di modificare le proprie configurazioni nel tempo e viene utilizzata in un'ampia varietà di campi come la robotica morbida, l'elettronica flessibile e i dispositivi medici.

Estendere la stampa 4D agli inchiostri strutturalmente colorati è stato l'obiettivo del gruppo di materiali e dispositivi funzionali reattivi agli stimoli dell'Università di tecnologia di Eindhoven. Vedendo la mancanza di materiali 4D visibilmente colorati, il team ha deciso di progettarne uno. Di conseguenza, riportano in Materiali funzionali avanzati ("Direct Ink Writing of 4D Structural Colors") lo sviluppo di un inchiostro a cristalli liquidi colesterico sensibile all'acqua e la procedura di scrittura diretta dell'inchiostro (DIW) di accompagnamento. Come dimostrano i ricercatori nel loro articolo, dopo la stampa 3D, l'inchiostro oligomerico a cristalli liquidi colesterico sensibile all'umidità forma una fase colesterica con riflessi colorati visibili e, dopo la reticolazione e l'attivazione, cambia in modo reversibile il volume e il colore riflesso in base allo stato di idratazione.

"Questa è la prima dimostrazione di un inchiostro che cambia colore sensibile all'umidità per la stampa 3D per estrusione", dice a Nanowerk Michael G. Debije, professore assistente presso la TU Eindhoven. "Ora possiamo produrre progetti computerizzati di dispositivi di rilevamento con un segnale visivo marcato, un cambiamento drammatico del colore di riflessione, verso l'utente".

"Abbiamo progettato uno speciale inchiostro fotonico per la stampa 3D da zero, partendo da un'attenta selezione dei mattoni molecolari che ci danno la reattività all'acqua e l'aspetto colorato", spiega Jeroen Sol, il primo autore del documento. "Il colore deriva da quello che viene chiamato 'cristallo liquido colesterico', uno specifico ordine di impilamento molecolare che interagisce selettivamente con specifici colori della luce visibile."

In un lavoro precedente ("Anisotropic Iridescence and Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral Photonic Polymer"), i ricercatori hanno già dimostrato la possibilità di stampare oggetti colorati colesterici utilizzando la stampa 3D di microestrusione. In questo lavoro hanno aggiunto una funzione da tempo nota ai polimeri liquidi cristallini:uno stimolo-risposta autonomo. "Prevediamo che questo lavoro costituirà la base per i dispositivi di rilevamento ottici stampati in 3D, ma servirà anche come base per lo sviluppo di altri inchiostri di stampa 3D reattivi", osserva Sol.

Il team ha utilizzato due dispositivi per evidenziare il potenziale degli inchiostri colesterici sensibili alle DIW:un elemento che cambia colore stampato in 4D su oggetti stampati in 3D e un oggetto strutturalmente colorato, che cambia forma e completamente stampato in 4D.

Come è stato dimostrato in passato per i materiali polimerici fotonici, l'entità della sua risposta all'acqua può essere tipicamente programmata utilizzando altre specie chimiche che influenzano il grado di polarità. Questi possono essere ioni o piccole molecole bioattive, per esempio. Come dimostra questo lavoro, in futuro potrebbe essere possibile progettare sensori stampabili in 3D, senza batteria, che prendono di mira importanti biomarcatori o conferiscono sensibilità agli ioni di metalli pesanti che contaminano le fonti d'acqua.

Per ora, il team sta lavorando alla progettazione di inchiostri per la stampa 3D con altri tipi di stimoli-risposte, come la risposta alle mutevoli condizioni di luce e, infine, l'integrazione di più inchiostri 4D diversi in singoli dispositivi che diventano multifunzionali. "Idealmente, includendo elementi reattivi in ​​questi polimeri, possiamo creare materiali che possono sia percepire che rispondere al loro ambiente, forse anche consentendo la comunicazione tra i singoli dispositivi e generare un livello di autonomia per una raccolta di singole unità", conclude Debije . + Esplora ulteriormente

Stampa 3D dai colori brillanti con cristalli liquidi