Forskere i Holland har fremstillet modeller af en bille, der skifter farve, og en kammuslingskal, der åbner og lukker som reaktion på skiftende luftfugtighed i den omgivende luft. Inspireret af iriserende strukturer i naturen, Jeroen Sol og kolleger ved Eindhoven University of Technology viste, at de kunne integrere en specialiseret flydende krystal i standard 3D-printteknikker og skabe "4D-printede" enheder, der reagerer på deres skiftende miljøer.
I løbet af millioner af år har mange organismer udviklet mikroskalastrukturer i deres anatomier, der giver dem mulighed for at ændre deres levende iriserende farver som reaktion på stimuli. For nylig har forskere udviklet blæk, der skifter farve på samme måde og er begyndt at eksperimentere med at inkorporere dem i 3D-printede strukturer.
Denne teknologi er blevet døbt 4D-print, hvor den fjerde dimension repræsenterer reversible, tidsvarierende ændringer af strukturerne efter udskrivning. En meget brugt teknik i 4D-print er at afsætte blæk direkte på 3D-printede strukturer. Denne tilgang kan rumme mange typer materiale, såvel som et alsidigt udvalg af udskrivningstemperaturer, -hastigheder og banedesign.
Flydende krystaller reagerer på miljøændringer
En særlig lovende klasse af blæk til 4D-print er kolesteriske flydende krystaller (ChLC'er). I konventionelle flydende krystaller flyder molekyler som en væske, mens de stadig orienterer sig som en fast krystal. I ChLC'er kan molekyler arrangeret på tværs af flere lodrette lag adoptere spiralstrukturer i deres orientering. Det er afgørende, at disse strukturer let og reversibelt kan varieres som reaktion på tilstedeværelsen af vand, visse kemiske forbindelser og mekaniske kræfter - som alle ændrer deres optiske egenskaber.
I deres undersøgelse, som de beskriver i Avancerede funktionelle materialer, Sol og kolleger tog inspiration fra en art langhornsbille (Tmesisternus isabellae), der ændrer sin iriserende farve som reaktion på fugt. For at reproducere denne effekt inkorporerede forskerne ChLC-blæk på bagsiden af en 3D-printet bille og behandlede derefter dette lag med syre på en sådan måde, at dets krystalstruktur ville reagere på fugt.
Under forhold med høj luftfugtighed svulmede blækket op. Dette ændrede dens spiralformede molekylære struktur, hvilket fik billens levende iriserende farve til at forvandle sig fra grøn til rød. Når fugtigheden var fjernet, vendte blækket tilbage til sin oprindelige struktur, og billen blev grøn igen.
En åben og lukket sag
I et parallelt eksperiment printede Sol og kolleger en åben kammuslingskal af et ChLC-elastomermateriale, der var tilbøjeligt til at hæve ved høj luftfugtighed. Holdet behandlede derefter den ene side af skallen med lys for at fjerne denne fugtighedsreaktion, mens de behandlede den anden side med syre, som de havde med billen. Dette betød, at når den blev udsat for tør luft, krympede den syrebehandlede side, hvilket fik skallen til at klemme sammen, for kun at åbne igen, når fugtig luft var genoprettet.
Inkjet-teknik udskriver regnbue af strukturelle farver fra et enkelt gennemsigtigt blæk
Sols team siger, at disse reversible, stimuli-responsive adfærd kunne inspirere applikationer inden for robotteknologi og sanseteknologier. De kunne være særligt nyttige i sundhedsvæsenet, hvor overkommelige, bærbare 3D-printede enheder ville give patienterne mulighed for at overvåge deres symptomer blot ved at spore enhedernes variable iriserende farver.
