チューリッヒ工科大学の研究者たちは、蝶からヒントを得た特定のナノ構造を3Dプリントすることで、人工的な色を作り出しました。この原理は、将来的にカラースクリーンの製造に利用できる可能性があります。
生物化学工学科のAndrew deMello教授のグループの研究者たちは、この新技術を開発するにあたり、蝶からヒントを得ました。熱帯アフリカに生息するシナンドラ・オピスという種の羽は、鮮やかな色彩で装飾されている。これは、可視光線の波長域の大きさの、非常に複雑な規則正しい表面構造によって生み出されている。これらの構造は、光線を屈折させることで、光の個々の色成分を増幅したり、打ち消したりしているのだ。今回、研究チームは、ナノ3Dプリンティング技術を用いて、シナンドラ・オピスの表面構造や、その他の修飾された構造を再現することに成功した。これにより、構造色を発生させる構造体を簡単に作る原理を作り出した。
自然界には、このような構造的着色の例は数多くあり、たとえば、他の種類の蝶に見られるような不規則な表面構造もある。「しかし、Cynandra opisの羽にある規則的なナノ構造は、3Dプリントによる復元に特に適していました」と、deMelloグループの元博士課程学生で本研究の主執筆者であるXiaobao Cao氏は説明する。Cynandra opisの構造は、互いに垂直に積み重なった2つの格子層からなり、その格子間隔は約1/2～1マイクロメートルである。
カラーパレット全体
ETHの研究者たちは、この格子間隔と格子棒の高さを250ナノメートルから1.2マイクロメートルの範囲で変えることにより、可視スペクトルのすべての色を生成する3Dプリント構造を作り出すことに成功したのである。これらの色の多くは、構造体の基となった自然界のモデル（蝶）には存在しないものである。
研究者らは、透明なポリマーを含むさまざまな材料を用いて、このような表面を作り出すことに成功した。デメログループの上級科学者で、この研究の共同執筆者であるスタブロス・スタブラキスは、「これにより、構造体を裏から照らして色を浮き上がらせることが可能になりました」と説明している。「半透明の材料で可視光線のすべての色を構造色として作り出すことに成功したのは、これが初めてです。”
セキュリティ機能
この研究の一環として、研究者らは、2×2マイクロメートルの多色構造色ピクセルのミニチュア画像を作成した。このような小さな画像は、紙幣などのセキュリティ機能として利用できる可能性がある。また、透明な材料で色を作ることができるため、光学技術用のカラーフィルターの製造も可能になる。これは、ETHのデメロ教授のグループの主な研究活動であるマイクロ流体システム（化学・生物学実験用の小型システム）の開発によく合致している。
また、ナノ構造体の大量生産も考えられるという。ネガ構造を3Dプリントしてテンプレートとすれば、複製を大量に生産することが可能になる。つまり、この原理は、薄く曲げられるスクリーンなど、高解像度のカラーディスプレイの製造に適している可能性があるのだ。そして最後に、科学者たちは、構造色が現在の印刷や絵画に使われている顔料の代わりになる可能性を指摘しています。構造色は、従来の顔料に比べて、光にさらされても色あせないので長持ちし、ほとんどの場合、環境負荷が少ないという利点があります。
参考
Cao X, Du Y, Guo Y, Hu G, Zhang M, Wang L, Zhou J, Gao Q, Fischer P, Wang J, Stavrakis S, deMello A: : 10.1002/adma.202109161call_made
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