Inspiré par la nature, Des chercheurs de l'Illinois ont développé des matériaux de couleur synthétiques à base de structure - comme ceux trouvés dans la peau de caméléon - pour les encres polymères utilisées dans l'impression 3D. Crédit :Groupe de recherche Diao.
Caméléons aux couleurs éclatantes, papillons, les opales - et maintenant certains matériaux imprimés en 3D - reflètent la couleur en utilisant des structures à l'échelle nanométrique appelées cristaux photoniques.
Une nouvelle étude qui démontre comment un processus d'impression 3-D modifié offre une approche polyvalente pour produire plusieurs couleurs à partir d'une seule encre est publiée dans la revue Avancées scientifiques .
Certaines des couleurs les plus éclatantes de la nature proviennent d'un phénomène à l'échelle nanométrique appelé coloration structurelle. Lorsque les rayons lumineux se reflètent sur ces structures placées périodiquement dans les ailes et les peaux de certains animaux et dans certains minéraux, ils interfèrent de manière constructive les uns avec les autres pour amplifier certaines longueurs d'onde et en supprimer d'autres. Lorsque les structures sont bien ordonnées et suffisamment petites, environ mille fois plus petites qu'un cheveu humain, les chercheurs ont dit que les rayons produisent une explosion de couleurs vives.
« Il est difficile de reproduire ces couleurs vives dans les polymères utilisés pour produire des articles tels que des peintures respectueuses de l'environnement et des filtres optiques hautement sélectifs, " a déclaré le chef de l'étude Ying Diao, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. "Un contrôle précis de la synthèse et du traitement des polymères est nécessaire pour former l'incroyablement mince, couches ordonnées qui produisent la couleur structurelle telle que nous la voyons dans la nature."
L'étude rapporte qu'en ajustant soigneusement le processus d'assemblage de polymères en forme de goupillon à structure unique lors de l'impression 3D, il est possible d'imprimer des cristaux photoniques avec des épaisseurs de couche réglables qui reflètent le spectre de la lumière visible à partir d'une seule encre.
L'encre contient des polymères ramifiés avec deux liés, segments chimiquement distincts. Les chercheurs dissolvent le matériau dans une solution qui lie les chaînes polymères juste avant l'impression. Après l'impression et pendant que la solution sèche, les composants se séparent à l'échelle microscopique, formant des couches nanométriques qui présentent des propriétés physiques différentes selon la vitesse d'assemblage.
"Le plus grand défi de la synthèse des polymères est de combiner la précision requise pour l'assemblage à l'échelle nanométrique avec la production des grandes quantités de matériau nécessaires au processus d'impression 3D, " a déclaré le co-auteur Damien Guironnet, professeur de génie chimique et biomoléculaire.
Dans le laboratoire, l'équipe utilise une imprimante 3D grand public modifiée pour affiner la vitesse à laquelle une buse d'impression se déplace sur une surface à température contrôlée. "Le contrôle de la vitesse et de la température de dépôt de l'encre nous permet de contrôler la vitesse d'assemblage et l'épaisseur de la couche interne à l'échelle nanométrique, ce qu'une imprimante 3D normale ne peut pas faire, " dit Bijal Patel, un étudiant diplômé et auteur principal de l'étude. "Cela dicte comment la lumière se reflétera sur eux et, donc, la couleur que nous voyons."
Les chercheurs ont déclaré que le spectre de couleurs qu'ils ont obtenu avec cette méthode est limité, mais ils s'efforcent d'apporter des améliorations en apprenant davantage sur la cinétique de la formation des multiples couches au cours de ce processus.
En outre, l'équipe travaille à étendre la pertinence industrielle du procédé, car la méthode actuelle n'est pas bien adaptée à l'impression de gros volumes. « Nous travaillons avec le Damien Guironnet, Charles Sing et Simon Rogers se regroupent à l'U. of I. pour développer des polymères et des procédés d'impression plus faciles à maîtriser, nous rapprocher des couleurs vibrantes produites par la nature, " dit Diao.
"Ce travail met en évidence ce qui est réalisable alors que les chercheurs commencent à se concentrer sur l'impression 3D comme un simple moyen de déposer un matériau en vrac dans des formes intéressantes, " dit Patel. " Tiens, nous modifions directement les propriétés physiques du matériau au moment de l'impression et débloquons un nouveau comportement."
