科學(xué)家用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出可見光譜所有顏色的蝴蝶

來源: 高維博創(chuàng)  

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員通過 3D 打印某些受蝴蝶啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了人工色素。這個(gè)原理以后可以用來制作彩屏。

對(duì)于他們的新技術(shù)，生物化學(xué)工程教授 Andrew deMello 小組的科學(xué)家從蝴蝶中汲取了靈感。原產(chǎn)于熱帶非洲的 Cynandra opis 物種的翅膀飾有絢麗的色彩。這些是由可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)極其復(fù)雜的規(guī)則表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。通過偏轉(zhuǎn)光線，這些結(jié)構(gòu)可以放大或抵消光的各個(gè)顏色分量。在 deMello 的帶領(lǐng)下，研究人員使用納米 3D 打印技術(shù)成功復(fù)制了 Cynandra opis 的表面結(jié)構(gòu)以及其他改性結(jié)構(gòu)。通過這種方式，他們創(chuàng)造了一種易于使用的原理，用于生產(chǎn)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)顏色的結(jié)構(gòu)。

△熱帶蝴蝶物種 Cynandra opis 的雄性作為 3D 打印結(jié)構(gòu)顏色的模型。

自然界中有許多這種結(jié)構(gòu)著色的例子，包括不規(guī)則的表面結(jié)構(gòu)——例如，在其他蝴蝶物種中發(fā)現(xiàn)的�！叭欢�，Cynandra opis翅膀上的規(guī)則納米結(jié)構(gòu)特別適合使用3D打印進(jìn)行重建，”deMello小組的前博士生、本研究的主要作者曹曉寶解釋說。Cynandra opis 結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相互垂直堆疊的網(wǎng)格層組成，晶格間距約為 1/2 至 1 微米。

通過在 250 納米到 1.2 微米的范圍內(nèi)改變這種晶格間距和晶格棒的高度，ETH 研究人員能夠生產(chǎn)出能夠生成可見光譜所有顏色的 3D 打印結(jié)構(gòu)。許多這些顏色不會(huì)出現(xiàn)在它們的結(jié)構(gòu)所基于的自然模型（蝴蝶）中。

研究人員成功地使用不同的材料（包括透明聚合物）生產(chǎn)了這種表面�！斑@使得從后面照亮結(jié)構(gòu)以呈現(xiàn)顏色成為可能，”deMello 小組的高級(jí)科學(xué)家、該研究的合著者 Stavros Stavrakis 解釋說�！斑@是我們第一次設(shè)法在半透明材料中產(chǎn)生可見光譜的所有顏色作為結(jié)構(gòu)顏色。”

作為研究的一部分，科學(xué)家們制作了一張尺寸為 2 x 2 微米的多色調(diào)結(jié)構(gòu)色像素的微型圖像。這些微小的圖像有朝一日可以用作鈔票和其他文件的安全特征。因?yàn)榭梢杂猛该鞑牧袭a(chǎn)生顏色，所以也可以制造用于光學(xué)技術(shù)的濾色器。這與 ETH 教授 deMello 小組的主要研究活動(dòng)非常吻合，該小組開發(fā)了微流體系統(tǒng)——用于化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)的小型化系統(tǒng)。

研究人員說，大規(guī)模生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)也是可以想象的。可以 3D 打印負(fù)結(jié)構(gòu)作為模板，從而可以生產(chǎn)大量復(fù)制品。這意味著該原理可能適用于制造高分辨率彩色顯示器，例如可彎曲的薄屏幕。最后，科學(xué)家們指出，結(jié)構(gòu)色可以取代當(dāng)今印刷和繪畫中使用的顏料。與傳統(tǒng)顏料相比，結(jié)構(gòu)色具有某些優(yōu)勢(shì)：它們持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠庹障虏粫?huì)褪色，并且在大多數(shù)情況下它們具有更好的環(huán)境足跡。