ETH-Forscher haben künstliche Farben erzeugt, indem sie bestimmte Nanostrukturen, die denen eines Schmetterlings nachempfunden sind, in 3D gedruckt haben. Dieses Prinzip kann in Zukunft für die Herstellung von Farbbildschirmen genutzt werden.
Für ihre neue Technologie liessen sich die Wissenschaftler aus der Gruppe von Andrew deMello, Professor für Bioverfahrenstechnik, von Schmetterlingen inspirieren. Die Flügel der im tropischen Afrika beheimateten Art Cynandra opis sind mit leuchtenden Farben verziert. Diese werden durch extrem komplizierte, regelmäßige Oberflächenstrukturen in der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichts erzeugt. Durch die Ablenkung von Lichtstrahlen verstärken oder löschen diese Strukturen einzelne Farbkomponenten des Lichts aus. Unter der Leitung von deMello ist es den Forschern gelungen, die Oberflächenstrukturen von Cynandra opis sowie weitere modifizierte Strukturen mit Hilfe eines Nano-3D-Druckverfahrens nachzubilden. Damit haben sie ein einfach zu handhabendes Prinzip für die Herstellung von Strukturen geschaffen, die Strukturfarben erzeugen.
In der Natur gibt es zahlreiche Beispiele für eine solche strukturelle Färbung, darunter auch unregelmäßige Oberflächenstrukturen, wie sie zum Beispiel bei anderen Schmetterlingsarten zu finden sind. "Die regelmäßigen Nanostrukturen auf den Flügeln von Cynandra opis eigneten sich jedoch besonders gut für die Rekonstruktion mittels 3D-Druck", erklärt Xiaobao Cao, ein ehemaliger Doktorand der deMello-Gruppe und Hauptautor der Studie. Die Strukturen von Cynandra opis bestehen aus zwei senkrecht zueinander gestapelten Gitterschichten mit einem Gitterabstand von etwa 1/2 bis 1 Mikrometer.
Gesamte Farbpalette
Indem sie diesen Gitterabstand und die Höhe der Gitterstäbe im Bereich zwischen 250 Nanometern und 1,2 Mikrometern variierten, konnten die ETH-Forscher 3D-gedruckte Strukturen herstellen, die alle Farben des sichtbaren Spektrums erzeugen. Viele dieser Farben kommen im natürlichen Vorbild (Schmetterling) nicht vor.
Den Forschern gelang es, solche Oberflächen mit verschiedenen Materialien herzustellen, unter anderem mit einem transparenten Polymer. "Dadurch war es möglich, die Struktur von hinten zu beleuchten, um die Farben hervorzuheben", erklärt Stavros Stavrakis, leitender Wissenschaftler in der deMello-Gruppe und Mitautor der Studie. "Dies ist das erste Mal, dass es uns gelungen ist, alle Farben des sichtbaren Spektrums als Strukturfarben in einem durchsichtigen Material zu erzeugen."
Sicherheitsmerkmal
Im Rahmen der Studie produzierten die Wissenschaftler ein Miniaturbild aus mehrfarbigen Strukturpixeln mit einer Größe von 2 x 2 Mikrometern. Solche winzigen Bilder könnten eines Tages als Sicherheitsmerkmal auf Geldscheinen und anderen Dokumenten verwendet werden. Da die Farben mit transparentem Material hergestellt werden können, wäre es auch möglich, Farbfilter für optische Technologien herzustellen. Dies passt gut zur Hauptforschungsaktivität der Gruppe von ETH-Professor deMello, die mikrofluidische Systeme entwickelt - miniaturisierte Systeme für chemische und biologische Experimente.
Auch eine groß angelegte Produktion von Nanostrukturen sei denkbar, sagen die Forscher. Eine negative Struktur könnte in 3D gedruckt werden und als Vorlage dienen, was die Herstellung einer großen Anzahl von Reproduktionen ermöglichen würde. Damit könnte sich das Prinzip für die Herstellung hochauflösender Farbdisplays eignen, etwa für dünne, biegsame Bildschirme. Und schließlich weisen die Wissenschaftler darauf hin, dass Strukturfarben die heute beim Drucken und Malen verwendeten Pigmente ersetzen könnten. Strukturfarben haben bestimmte Vorteile gegenüber herkömmlichen Pigmenten: Sie halten länger, weil sie bei Lichteinwirkung nicht verblassen, und sie haben in den meisten Fällen eine bessere Umweltbilanz.
Referenz
Cao X, Du Y, Guo Y, Hu G, Zhang M, Wang L, Zhou J, Gao Q, Fischer P, Wang J, Stavrakis S, deMello A: Replicating the Cynandra opis Butterfly's Structural Color for Bioinspired Bigrating Color Filters, Advanced Materials, 4. Januar 2022, doi: 10.1002/adma.202109161call_made
Weitere Informationen:
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2022/02/applying-the-butterfly-principle.html [This is automatically translated from English]