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科学家用3D打印技术生产出可见光谱所有颜色的蝴蝶

2022-02-11 09:01:49

苏黎世联邦理工学院的研究人员通过 3D 打印某些受蝴蝶启发的纳米结构创造了人工色素。这个原理以后可以用来制作彩屏。

对于他们的新技术,生物化学工程教授 Andrew deMello 小组的科学家从蝴蝶中汲取了灵感。原产于热带非洲的 Cynandra opis 物种的翅膀饰有绚丽的色彩。这些是由可见光波长范围内极其复杂的规则表面结构产生的。通过偏转光线,这些结构可以放大或抵消光的各个颜色分量。在 deMello 的带领下,研究人员使用纳米 3D 打印技术成功复制了 Cynandra opis 的表面结构以及其他改性结构。通过这种方式,他们创造了一种易于使用的原理,用于生产产生结构颜色的结构。

△热带蝴蝶物种 Cynandra opis 的雄性作为 3D 打印结构颜色的模型。

自然界中有许多这种结构着色的例子,包括不规则的表面结构——例如,在其他蝴蝶物种中发现的。“然而,Cynandra opis翅膀上的规则纳米结构特别适合使用3D打印进行重建,”deMello小组的前博士生、本研究的主要作者曹晓宝解释说。Cynandra opis 结构由两个相互垂直堆叠的网格层组成,晶格间距约为 1/2 至 1 微米。


通过在 250 纳米到 1.2 微米的范围内改变这种晶格间距和晶格棒的高度,ETH 研究人员能够生产出能够生成可见光谱所有颜色的 3D 打印结构。许多这些颜色不会出现在它们的结构所基于的自然模型(蝴蝶)中。研究人员成功地使用不同的材料(包括透明聚合物)生产了这种表面。“这使得从后面照亮结构以呈现颜色成为可能,”deMello 小组的高级科学家、该研究的合著者 Stavros Stavrakis 解释说。“这是我们第一次设法在半透明材料中产生可见光谱的所有颜色作为结构颜色。”


作为研究的一部分,科学家们制作了一张尺寸为 2 x 2 微米的多色调结构色像素的微型图像。这些微小的图像有朝一日可以用作钞票和其他文件的安全特征。因为可以用透明材料产生颜色,所以也可以制造用于光学技术的滤色器。这与 ETH 教授 deMello 小组的主要研究活动非常吻合,该小组开发了微流体系统——用于化学和生物实验的小型化系统。


研究人员说,大规模生产纳米结构也是可以想象的。可以 3D 打印负结构作为模板,从而可以生产大量复制品。这意味着该原理可能适用于制造高分辨率彩色显示器,例如可弯曲的薄屏幕。最后,科学家们指出,结构色可以取代当今印刷和绘画中使用的颜料。与传统颜料相比,结构色具有某些优势:它们持续时间更长,因为它们在光照下不会褪色,并且在大多数情况下它们具有更好的环境足迹。

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