La maggior parte degli oggetti che vediamo sono colorati da pigmenti, ma l'uso dei pigmenti ha degli svantaggi:tali colori possono sbiadire, i pigmenti industriali sono spesso tossici, e alcuni effetti di colore sono impossibili da ottenere. Il mondo naturale, però, presenta anche colorazione strutturale, dove la microstruttura di un oggetto fa apparire vari colori. piume di pavone, ad esempio, sono pigmentati marroni, ma, a causa delle lunghe cavità all'interno delle piume, riflettono lo splendido, blu e verdi iridescenti che vediamo e ammiriamo. I recenti progressi tecnologici hanno reso pratico fabbricare il tipo di nanostrutture che determinano la colorazione strutturale, e scienziati informatici dell'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) e della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) hanno ora creato uno strumento di calcolo che crea automaticamente modelli di stampa 3D per nanostrutture che corrispondono a colori. Il loro lavoro dimostra il grande potenziale per la colorazione strutturale nell'industria, e apre la possibilità ai non esperti di creare i propri progetti. Questo progetto sarà presentato alla più importante conferenza di computer grafica di quest'anno, SIGGRAFO 2018, dal primo autore e postdoc IST Austria Thomas Auzinger.

I colori cangianti di un camaleonte e i blu e i verdi cangianti della farfalla morfo, tra tanti altri in natura, sono il risultato della colorazione strutturale, dove le nanostrutture causano effetti di interferenza con la luce, risultando in una varietà di colori se visti macroscopicamente. La colorazione strutturale presenta alcuni vantaggi rispetto alla colorazione con pigmenti (dove vengono assorbite particolari lunghezze d'onda), ma fino a poco tempo fa i limiti della tecnologia significavano che la fabbricazione di tali nanostrutture richiedeva metodi altamente specializzati. Nuovi allestimenti "scrittura laser diretta", però, costa quanto una stampante 3D industriale di alta qualità, e consentire la stampa su scala di centinaia di nanometri (100 - 1000 volte più sottile di un capello umano), aprendo la possibilità agli scienziati di sperimentare la colorazione strutturale.

Finora, gli scienziati hanno principalmente sperimentato con le nanostrutture che avevano osservato in natura, o con semplice, progetti nanostrutturali regolari (ad es. fila dopo fila di pilastri). Thomas Auzinger e Bernd Bickel di IST Austria, insieme a Wolfgang Heidrich di KAUST, però, ha adottato un nuovo approccio innovativo che differisce in diversi modi chiave. Primo, risolvono il compito di progettazione inversa:l'utente inserisce il colore che vuole replicare, e poi il computer crea un modello di nanostruttura che dà quel colore, piuttosto che tentare di riprodurre strutture presenti in natura. Inoltre, "il nostro strumento di progettazione è completamente automatico, " afferma Thomas Auzinger. "Non è richiesto alcuno sforzo aggiuntivo da parte dell'utente."

Secondo, le nanostrutture nel modello non seguono uno schema particolare o hanno una struttura regolare; sembrano essere composti in modo casuale, una rottura radicale rispetto ai metodi precedenti, ma uno con molti vantaggi. "Quando guardo il modello prodotto dal computer non posso dire dalla sola struttura se vedo un modello per il blu, il rosso o il verde, " spiega Auzinger. "Ma questo significa che il computer sta trovando soluzioni che noi, come esseri umani, non poteva. Questa struttura a forma libera è estremamente potente:consente una maggiore flessibilità e apre possibilità per ulteriori effetti di colorazione." Ad esempio, il loro strumento di progettazione può essere utilizzato per stampare un quadrato che appare rosso da un'angolazione, e blu da un altro (noto come colorazione direzionale).

Finalmente, gli sforzi precedenti sono anche inciampati quando si trattava di fabbricazione effettiva:i disegni erano spesso impossibili da stampare. Il nuovo strumento di progettazione, però, garantisce che l'utente si ritroverà con un modello stampabile, il che lo rende estremamente utile per lo sviluppo futuro della colorazione strutturale nell'industria. "Lo strumento di progettazione può essere utilizzato per prototipare nuovi colori e altri strumenti, oltre a trovare strutture interessanti che potrebbero essere prodotte industrialmente, " aggiunge Auzinger. I primi test dello strumento di progettazione hanno già dato risultati positivi. "È sorprendente vedere apparire colorato qualcosa composto interamente da materiali trasparenti, semplicemente a causa di strutture invisibili all'occhio umano, "dice Bernd Bickel, professore all'IST Austria. "Siamo ansiosi di sperimentare con materiali aggiuntivi, per ampliare la gamma di effetti che possiamo ottenere."

"È particolarmente emozionante assistere al ruolo crescente degli strumenti computazionali nella fabbricazione, "conclude Auzinger, "ed è ancora più emozionante vedere l'espansione della 'computer grafica' per comprendere immagini fisiche e virtuali".