Les couleurs du monde qui nous entoure sont produites soit par absorption de la lumière par des molécules (couleurs pigmentaires), soit par diffusion de la lumière par des nanostructures (couleurs structurelles). La nature fournit de nombreux exemples spectaculaires de couleurs structurelles - les couleurs vives de certains papillons, coléoptères, poissons ou oiseaux (pensez aux paons) sont dues à des nanostructures qui provoquent le chevauchement des ondes lumineuses réfléchies. La coloration structurale se produit sur des surfaces présentant une nanostructure de dimensions similaires à celles de la longueur d'onde de la lumière incidente (typiquement inférieures au micron). Ces nanostructures ordonnées sont appelées cristaux photoniques.

Les couleurs réactives aux stimuli sont une caractéristique unique de certains animaux, évoluées soit comme une méthode pour se cacher des ennemis et des proies, soit pour communiquer leur présence à des rivaux ou à des compagnons. Les caméléons, par exemple, ont la capacité remarquable de présenter des changements de couleur complexes et rapides. Les chercheurs ont découvert que les changements de couleur se produisent via le réglage actif d'un réseau de nanocristaux présents dans une couche superficielle de cellules dermiques appelées iridophores. D'autres couleurs structurelles dans la nature se sont avérées sensibles aux produits chimiques ou à l'humidité.

Du point de vue de la science des matériaux, les solutions développées par la nature pour obtenir ces effets sont une source d'inspiration pour les scientifiques depuis des décennies. Un exemple récent est l'impression 3D avec des matériaux réactifs aux stimuli, appelée impression 4D. L'impression 4D permet aux structures imprimées en 3D de changer de configuration au fil du temps et est utilisée dans une grande variété de domaines tels que la robotique douce, l'électronique flexible et les dispositifs médicaux.

L'extension de l'impression 4D aux encres structurellement colorées a été l'objectif du groupe des matériaux et dispositifs fonctionnels réactifs aux stimuli de l'Université de technologie d'Eindhoven. Voyant le manque de matériaux 4D visiblement colorés, l'équipe s'est mise à en concevoir un. En conséquence, ils signalent dans Matériaux fonctionnels avancés ("Direct Ink Writing of 4D Structural Colors") le développement d'une encre à cristaux liquides cholestériques réactive à l'eau et la procédure d'écriture directe à l'encre (DIW) qui l'accompagne. Comme les chercheurs le démontrent dans leur article, après l'impression 3D, l'encre oligomère à cristaux liquides cholestérique sensible à l'humidité forme une phase cholestérique avec une réflexion visible et colorée, et après réticulation et activation, change de manière réversible le volume et la couleur réfléchie en fonction de l'état d'hydratation. P>

"Il s'agit de la première démonstration d'une encre à changement de couleur sensible à l'humidité pour l'impression 3D par extrusion", a déclaré Michael G. Debije, professeur adjoint à la TU Eindhoven, à Nanowerk. "Nous pouvons désormais produire des conceptions assistées par ordinateur de dispositifs de détection avec un signal visuel marqué - un changement spectaculaire de couleur de réflexion - vers l'utilisateur."

"Nous avons conçu une encre photonique spéciale pour l'impression 3D à partir de zéro, en commençant par une sélection minutieuse des blocs de construction moléculaires qui nous donnent la réactivité à l'eau et l'apparence colorée", explique Jeroen Sol, le premier auteur de l'article. "La couleur provient de ce qu'on appelle un "cristal liquide cholestérique", un ordre d'empilement moléculaire spécifique qui interagit de manière sélective avec des couleurs spécifiques de la lumière visible."

Dans des travaux antérieurs ("Anisotropic Iridescence and Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral Photonic Polymer"), les chercheurs ont déjà démontré la possibilité d'imprimer des objets colorés cholestériques en utilisant l'impression 3D par microextrusion. Dans ce présent travail, ils ont ajouté une fonction connue depuis longtemps des polymères cristallins liquides :un stimulus-réponse autonome. "Nous prévoyons que ce travail constituera la base des dispositifs de détection optique imprimés en 3D, mais servira également de base pour le développement d'autres encres d'impression 3D réactives", note Sol.

L'équipe a utilisé deux dispositifs pour mettre en évidence le potentiel des encres cholestériques réactives DIW :un élément de changement de couleur imprimé en 4D sur des objets imprimés en 3D, et un objet entièrement coloré en forme, entièrement imprimé en 4D.

Comme cela a été démontré pour les matériaux polymères photoniques dans le passé, l'étendue de sa réponse à l'eau peut être typiquement programmée en utilisant d'autres espèces chimiques qui influencent le degré de polarité. Il peut s'agir d'ions ou de petites molécules bioactives, par exemple. Comme le démontrent ces travaux, il pourrait être possible à l'avenir de concevoir des capteurs imprimables en 3D sans pile qui ciblent d'importants biomarqueurs ou confèrent une sensibilité aux ions de métaux lourds qui contaminent les sources d'eau.

Pour l'instant, l'équipe travaille sur la conception d'encres d'impression 3D avec d'autres types de stimuli-réponses, telles que la réponse aux conditions d'éclairage changeantes, et éventuellement l'intégration de plusieurs encres 4D différentes dans des appareils uniques qui deviennent multifonctionnels. "Idéalement, en incluant des éléments réactifs dans ces polymères, nous pouvons créer des matériaux qui peuvent à la fois détecter et réagir à leur environnement, peut-être même permettre la communication entre des appareils individuels pour générer un niveau d'autonomie pour une collection d'unités individuelles", conclut Debije. . + Explorer plus loin

Impression 3D aux couleurs brillantes à l'aide de cristaux liquides