Grâce à l'auto-assemblage sans équilibre avec l'impression 3D en écriture directe, les chercheurs ont créé des cristaux photoniques (PC) avec une couleur de structure ajustable. Inspirés par la nature, les scientifiques de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (U of I) ont montré comment produire plusieurs couleurs à partir d'une seule encre.
La publication des détails de leur étude dans le récent
Ces structures nanométriques sont capables de réfléchir la lumière de manière à générer une variété de couleurs en raison de la façon dont les rayons lumineux interfèrent les uns avec les autres. Avec des PC bien ordonnés des milliers de fois plus petits qu'un cheveu humain, la coloration structurelle résultante produit des couleurs vives. Les chercheurs de l'U of I ont modifié une imprimante 3D de bureau pour reproduire ce même effet.
“It is challenging to reproduce these vibrant colors in the polymers used to produce items like environmentally friendly paints and highly selective optical filters,” said study leader Ying Diao, a chemical and biomolecular engineering professor at U of I. “Precise control of polymer synthesis and processing is needed to form the incredibly thin, ordered layers that produce the structural color as we see in nature.”
La clé du processus a été l'impression 3D de copolymères à blocs en forme de pinceau, en ajustant l'épaisseur des couches d'impression pour modifier la couleur réfléchie par les PC dans le processus. Avant la construction, l'encre est dissoute dans une solution qui lie les chaînes polymères ramifiées et chimiquement séparées à l'intérieur. Une fois imprimée, la solution sèche et les segments distincts se séparent, résultant en des couches nanoscopiques qui démontrent une variété de propriétés physiques en fonction de la rapidité avec laquelle l'objet est construit.
Pour montrer les possibilités, les motifs caméléons ont été fabriqués sous forme d'impressions continues.
“The incorporation of color into 3D printing has significant pedagogical and cosmetic advantages but has so far been demonstrated only for single colors through dyed filament stock or the use of complex and time-consuming multi-nozzle, multi-material methods for multicolored prints,” explain the researchers. “By depositing BBCP from the solution phase with a volatile solvent, we force molecular assembly (microphase segregation) to compete with evaporation and demonstrate on-the-fly tuning of nanoscale morphology and structural color for vibrant, multicolored prints from a single stock ink.”
(A) Polymérisation d'ouverture de cycle anionique des graines d'hexaméthylcyclotrisiloxane pour produire des macromonomères PDMS. (B) Polymérisation par ouverture de cycle catalysée par le 8-diazabicyclo [5.4.0] undéc-7-ène (DBU) du lactide pour produire des macromonomères PLA. (C) Polymérisation séquentielle par polymérisation par ouverture de cycle (ROMP) de macromonomères PDMS et PLA. (D) Poids moléculaire en fonction du temps pour la synthèse de la brosse à bouteilles PDMS-b-PLA. Les macromonomères PDMS sont d'abord polymérisés (t
Bien que l’utilisation de certains défis
“Having control over the speed and temperature of ink deposition allows us to control the speed of assembly and the internal layer thickness at the nanoscale, which a normal 3D printer cannot do,” said Bijal Patel, lead author of the study. “That dictates how light will reflect off of them and, therefore, the color we see.”
Variation programmatique des propriétés optiques via la modulation de la vitesse d'impression et de la température. Des images de microscopie optique de motifs imprimés de lignes de méandre sur du silicium nu sont représentées sur la figure. À chaque température (paire de rangées), des images à faible grossissement (encadré A) et à fort grossissement (encadré B) sont affichées. (D) Motifs caméléon imprimés en impressions continues dans des conditions d'impression constantes (pression, vitesse d'impression et température du lit). (E) Motif complexe imprimé en trois couches à trois températures de lit. La vitesse d'impression a été modifiée à la volée pour régler l'épaisseur, la couleur et l'intensité du trait tout au long de l'impression, ce qui a entraîné la variation voulue dans le vert / bleu 25
“This work highlights what is achievable as researchers begin to move past focusing on 3D printing as just a way to put down a bulk material in interesting shapes,” Patel said. “Here, we are directly changing the physical properties of the material at the point of printing and unlocking new behavior.”
(A) Spectres de réflexion diffuse obtenus en utilisant la géométrie de la sphère d'intégration, décalés verticalement pour plus de clarté. L'axe des Y représente la réflectivité (% par rapport au standard spectralon). (B) Le pic de Lorentzian décrit la position du pic et la FWHM en fonction de la vitesse d'impression. Les barres d'erreur indiquent SE de l'ajustement.
Les détails et le code d'analyse complets sont fournis dans la section S14. Les images à côté du tracé correspondent aux graduations numérotées. Toutes les données présentées dans (A) à (C) ont été obtenues à une température de substrat de 50
Bien que le spectre de couleurs que l'équipe ait pu produire était limité, les chercheurs pensent qu'ils peuvent améliorer la technique en comprenant comment les couches sont créées. Ils étudient également les moyens de rendre la technologie plus appropriée à des fins industrielles, car l'impression 3D à grande échelle n'est pas possible avec la méthodologie existante.
“This work highlights what is achievable as researchers begin to move past focusing on 3D printing as just a way to put down a bulk material in interesting shapes,” Patel said. “Here, we are directly changing the physical properties of the material at the point of printing and unlocking new behavior.”
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