Farbeffekte aus transparenten 3-D gedruckten Nanostrukturen

Anonim

Die meisten Objekte, die wir sehen, sind mit Pigmenten gefärbt, aber die Verwendung von Pigmenten hat Nachteile: Solche Farben können verblassen, Industriepigmente sind oft toxisch und bestimmte Farbeffekte sind unmöglich zu erreichen. Die natürliche Welt weist jedoch auch eine Strukturfärbung auf, bei der die Mikrostruktur eines Objekts verschiedene Farben hervorruft. Pfauenfedern zum Beispiel sind braun pigmentiert, reflektieren aber - wegen der langen Vertiefungen in den Federn - die wunderschönen, irisierenden Blau- und Grüntöne, die wir sehen und bewundern. Jüngste Fortschritte in der Technologie haben es praktisch gemacht, die Art von Nanostrukturen herzustellen, die zur Strukturfärbung führen, und Computerwissenschaftler vom Institut für Wissenschaft und Technologie Österreich (IST Austria) und der König Abdullah Universität von Wissenschaft und Technologie (KAUST) haben jetzt geschaffen ein Computerwerkzeug, das automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen erstellt, die benutzerdefinierten Farben entsprechen. Ihre Arbeiten zeigen das große Potenzial für Strukturfärbungen in der Industrie und eröffnen Nicht-Experten die Möglichkeit, ihre eigenen Designs zu entwerfen. Dieses Projekt wird auf der diesjährigen Computergrafik-Konferenz SIGGRAPH 2018 vom Erstautor und IST Austria-Postdoc Thomas Auzinger vorgestellt.

Die changierenden Farben eines Chamäleons und die schillernden Blau- und Grüntöne des Morpho-Schmetterlings, neben vielen anderen in der Natur, sind das Ergebnis von Strukturfärbungen, bei denen Nanostrukturen Interferenzen im Licht verursachen, was makroskopisch zu einer Vielzahl von Farben führt. Die Strukturfärbung hat gewisse Vorteile gegenüber der Färbung mit Pigmenten (wo bestimmte Wellenlängen absorbiert werden), aber bis vor kurzem bedeutete die Herstellung von Nanostrukturen aufgrund der Grenzen der Technologie hochspezialisierte Methoden. Neue "Direct Laser Writing" -Systeme kosten jedoch ungefähr so ​​viel wie ein hochwertiger industrieller 3-D-Drucker und ermöglichen das Drucken im Hundertstel-Nanometerbereich (100-1000 Mal dünner als ein menschliches Haar). Möglichkeiten für Wissenschaftler, mit Strukturfärbung zu experimentieren.

Bisher haben Wissenschaftler hauptsächlich mit Nanostrukturen experimentiert, die sie in der Natur beobachtet haben, oder mit einfachen, regelmäßigen nanostrukturellen Designs (z. B. Reihe für Reihe von Säulen). Thomas Auzinger und Bernd Bickel von IST Austria haben zusammen mit Wolfgang Heidrich von KAUST einen innovativen neuen Ansatz gewählt, der sich in mehreren wesentlichen Punkten unterscheidet. Zuerst lösen sie die inverse Entwurfsaufgabe: Der Benutzer gibt die Farbe ein, die er replizieren möchte, und dann erzeugt der Computer ein Nanostrukturmuster, das diese Farbe gibt, anstatt zu versuchen, die in der Natur gefundenen Strukturen zu reproduzieren. Außerdem "ist unser Design-Tool komplett automatisch", sagt Thomas Auzinger. "Auf Seiten des Benutzers ist kein zusätzlicher Aufwand erforderlich."

Zweitens folgen die Nanostrukturen in der Schablone keinem bestimmten Muster oder haben eine regelmäßige Struktur; sie scheinen zufällig zusammengesetzt zu sein - eine radikale Abkehr von früheren Methoden, aber eine mit vielen Vorteilen. "Wenn ich mir die vom Computer erstellte Vorlage anschaue, kann ich an der Struktur nicht erkennen, ob ich ein Muster für Blau oder Rot oder Grün sehe", erklärt Auzinger. "Aber das bedeutet, dass der Computer Lösungen findet, die wir als Menschen nicht können. Diese Freiformstruktur ist extrem leistungsfähig: Sie ermöglicht eine größere Flexibilität und eröffnet Möglichkeiten für zusätzliche Farbeffekte." Mit ihrem Design-Tool kann beispielsweise ein Quadrat gedruckt werden, das aus einem bestimmten Winkel rot und aus einem anderen blau erscheint (bekannt als direktionale Farbgebung).

Schließlich sind auch frühere Bemühungen bei der eigentlichen Herstellung ins Stocken geraten: Die Entwürfe waren oft nicht mehr druckbar. Das neue Design-Tool garantiert jedoch, dass der Benutzer eine druckbare Vorlage erhält, was ihn für die zukünftige Entwicklung der Strukturfärbung in der Industrie äußerst nützlich macht. "Mit dem Design-Tool können neue Farben und andere Werkzeuge prototypisiert und interessante Strukturen gefunden werden, die industriell hergestellt werden können", ergänzt Auzinger. Erste Tests des Design-Tools haben bereits zu erfolgreichen Ergebnissen geführt. "Es ist erstaunlich, dass etwas, das nur aus klaren Materialien besteht, farbig erscheint, einfach wegen der für das menschliche Auge unsichtbaren Strukturen", sagt Bernd Bickel, Professor am IST Austria. "Wir sind bestrebt, mit zusätzlichen Materialien zu experimentieren, um die Palette der Effekte, die wir erreichen können, zu erweitern."

"Es ist besonders aufregend, die wachsende Rolle von computergestützten Werkzeugen in der Fertigung zu beobachten", schließt Auzinger, "und es ist noch spannender, die Ausweitung der, Computergrafik 'sowohl auf physische als auch auf virtuelle Bilder zu sehen."

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