永不褪色的顏色，研究人員受蝴蝶翅膀啟發(fā)3D打印出全彩色光譜

南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員從一只蝴蝶的翅膀中獲得靈感，成功地3D打印出了人造的彩色納米結(jié)構(gòu)。

原產(chǎn)于熱帶非洲的Cynandra opis蝴蝶的翅膀因其鮮艷的色彩而出名，然而，這些顏色不是基于顏料，而是結(jié)構(gòu)性的，這意味著它們是由翅膀表面復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。Cynandra opis的翅膀是通過偏轉(zhuǎn)和折射可見光，放大了某些顏色成分，從而產(chǎn)生了寶石般的光澤。

由生化工程教授Andrew deMello領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，已經(jīng)成功地使用一種定制的納米打印技術(shù)重新創(chuàng)造了這些自然存在的結(jié)構(gòu)。

該研究的主要作者Xiaobao Cao解釋說："Cynandra opis翅膀上的規(guī)則納米結(jié)構(gòu)特別適合使用3D打印技術(shù)進(jìn)行重建。"

△雄性Cynandraopis蝴蝶作為3D打印結(jié)構(gòu)顏色的模型。照片來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院。

通過3D納米打印技術(shù)模仿Cynandraopis色彩結(jié)構(gòu)

在顯微鏡下觀察，Cynandra opis蝴蝶的翅膀由相互堆疊的二維網(wǎng)格線條組成。這些線條之間的自然間隔在0.5-1微米之間。

通過3D打印相同的柱狀網(wǎng)格，并在250納米和1.2微米之間改變間距和高度，ETH的研究人員發(fā)現(xiàn)，可以產(chǎn)生幾乎任何可見光譜上的顏色。該研究中實(shí)現(xiàn)的許多色調(diào)甚至不是Cynandra opis翅膀的原生色。此外，這些納米結(jié)構(gòu)被3D打印在各種材料中，包括透明聚合物。

該研究的共同作者Stavros Stavrakis解釋說："當(dāng)把光打到納米結(jié)構(gòu)的后面時，會呈現(xiàn)出不同的顏色，這也是我們第一次成功地在半透明材料中生產(chǎn)出可見光譜的所有顏色作為結(jié)構(gòu)顏色。"

△兩層網(wǎng)格的SEM成像；左邊是一個蝴蝶翅膀的細(xì)節(jié)，右邊是3D打印結(jié)構(gòu)的一部分。圖片來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院。

該技術(shù)可以在哪里應(yīng)用？

為了給他們的技術(shù)找到一個應(yīng)用，ETH團(tuán)隊(duì)3D打印了一個由結(jié)構(gòu)性彩色像素組成的2×2微米的微小圖像。研究人員認(rèn)為，類似的微小圖像最終可以應(yīng)用到紙幣和其他文件的認(rèn)證當(dāng)中。

由于顏色可以使用透明材料進(jìn)行3D打印，因此也有可能為光學(xué)設(shè)備生產(chǎn)彩色過濾器。這一特殊的應(yīng)用將與deMello的研究小組相吻合，該小組專門從事微流控系統(tǒng)的開發(fā)。目前的工作可以幫助化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)小型化。

ETH團(tuán)隊(duì)表示，彩色像素的大規(guī)模生產(chǎn)也是可能的。這可能為一種新的高分辨率彩色顯示屏鋪平道路，甚至可能是柔性屏幕。

最后，研究人員甚至認(rèn)為，3D打印的結(jié)構(gòu)性顏色可以成為印刷和繪畫中使用的顏料的合適替代品。它們不僅會因?yàn)榭棺贤饩�引起的褪色而持續(xù)更長的時間，而且也會比今天大多數(shù)的顏料選擇提供更好的環(huán)境足跡。

△該技術(shù)被用于3D打印全色系。照片來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院。

這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "Replicating the Cynandraopis Butterfly’s Structural Color for Bioinspired Bigrating Color Filters"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109161

這并不是研究人員第一次從大自然事物中攫取靈感，以實(shí)現(xiàn)變色的3D打印應(yīng)用。就在最近，來自都柏林三一學(xué)院和SFI先進(jìn)材料和生物工程研究中心（AMBER）的研究人員在孔雀變色羽毛的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套新穎的微型3D打印氣體傳感器。這種3D打印的傳感器能夠在某些溶劑蒸汽的存在下改變顏色，可以作為一種非常直觀的方式來檢測危險(xiǎn)的污染物。

在其他地方，來自埃因霍溫科技大學(xué)（TUE）的科學(xué)家們開發(fā)了一種新型的3D打印變色液晶墨水，從而開拓了新的領(lǐng)域。這種墨水可以根據(jù)觀察的角度改變顏色，使其像珠寶甲蟲的外表或軟體動物外殼的內(nèi)部一樣呈現(xiàn)出彩虹色。