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研究人员用纳米级3D打印创造结构性色彩

文章来源:网络人气:946发表时间:2016-11-26 12:00:32

  一群德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员发现了一种再现蓝色狼蛛和孔雀的“结构色彩”的方法。他们使用重叠的3D打印纳米结构,这种结构会折射光线从而产生动态的色彩效果。该技术最终可能会帮助替代包装、工业应用甚至化妆品中的有毒颜料。

  结构着色不同于颜料着色,是通过干扰自然光的极小“结构化”表面来产生颜色。例如,孔雀羽毛实际上是棕色的,但其细脊中的图案结构使其反射出生动的蓝色和绿色。当使用新的3D打印方法来生产时,结构色看起来更加生动并且比传统颜料更持久,同时还具有无毒的优点。

  结构色能根据不同的视角而改变色调和晕彩,就如同CD的下侧一样,这是一个迷人但通常不讨喜的效果。据天工社了解,为了产生稳定的颜色,制造商一直在设法使这种效果最小化,但不是很成功。然而,在自然界,臭名昭著的蓝色狼蛛(以及孔雀和翠鸟)可以毫不费力地做到这一点,它们奇妙的生理机能帮助KIT研究人员了解到稳定的结构色的秘密。研究人员着重研究了狼蛛,并发现其身上的绒毛形成了许多花状的多层结构。

  KIT团队分析了狼蛛结构颜色的反射行为,然后再用纳米级3D打印机打印出绒毛。不满足于只复制蓝色狼蛛的颜色,他们想找到一个能再现所有颜色且具商业可行性的3D打印解决方案。通过与在比利时和美国的团队的合作,KIT科学家改进了一个模型来产生任何选定的结构色。即使在160度的视角下,这些结构色也是一致的。目前,这是在合成色上所实现的最大视角,而灵感来自蓝色狼蛛的花状结构也具有潜在的商业可行性。

  通过改变花状结构(径长仅为15微米)的尺寸,研究人员发现他们能随意改变颜色。这是材料和色彩科学领域中的一个重大进步,可能会改变纺织业和包装业。从长远来看,甚至还可能对化妆品行业产生重大的影响,虽然有些遥远。

  虽然研究人员开发出了一种有效的模型,但仍然有一个关键的问题阻碍着结构色的普遍化。现在,世界上只有少数几家公司和机构能提供纳米级3D打印。KIT的HendrickHolscher博士承认,他们不可能满足商业应用上的潜在需求,即使可以,从成本上来看现在也不是很划算。

  幸运的是,随着3D打印行业的快速发展,KIT团队认为纳米级3D打印设备的相对短缺只是一个暂时性问题。不久前,纳米级3D打印还只是一个梦想,但现在,美国橡树岭实验室正在大力研究聚焦电子束诱导沉积(FocusedElectronBeamInducedDeposition)打印,哈佛大学拥有纳米级系统中心,世界领先的公司和大学正在努力开发自己的解决方案。因此,纳米级3D打印的普遍化和商业化只是一个时间问题,一旦技术跟上,所有的问题将迎刃而解。

  据研究人员说,结构色的另一个可能的解决方案是创建非晶纳米级结构,这种结构可根据视角而改变光的折射的。在未来,当3D打印行业可以生产出市场价合适的纳米级打印件时,这将是一种有趣的方案。目前,KIT团队坚信,在结构色的商业应用中,花状结构是最具成本效益和可行性的一种模型。

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