محققان هلندی مدل‌هایی از یک سوسک را تولید کرده‌اند که تغییر رنگ می‌دهد و یک پوسته گوش ماهی که در واکنش به تغییر رطوبت هوای اطراف باز و بسته می‌شود. با الهام از ساختارهای رنگین کمانی در طبیعت، جرون سول و همکارانش در دانشگاه فناوری آیندهوون نشان دادند که می‌توانند یک کریستال مایع تخصصی را در تکنیک‌های استاندارد چاپ سه‌بعدی ادغام کنند و دستگاه‌های «پرینت ۴ بعدی» را ایجاد کنند که به محیط‌های متغیرشان واکنش نشان می‌دهند.
در طول میلیون‌ها سال، بسیاری از موجودات ساختارهایی در مقیاس میکرو در آناتومی خود ایجاد کرده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد تا رنگ‌های رنگین کمانی پر جنب و جوش خود را در پاسخ به محرک‌ها تغییر دهند. اخیراً، محققان جوهرهایی ساخته اند که به همان روش تغییر رنگ می دهند و شروع به آزمایش با ترکیب آنها در ساختارهای چاپ سه بعدی کرده اند.
این فناوری چاپ 4 بعدی نامیده شده است، که در آن بعد چهارم نشان دهنده تغییرات قابل برگشت و متغیر با زمان در ساختارها پس از چاپ است. یکی از تکنیک‌های پرکاربرد در پرینت چهار بعدی، قرار دادن جوهر به طور مستقیم بر روی ساختارهای چاپ شده سه بعدی است. این رویکرد می‌تواند انواع مختلفی از مواد و همچنین طیف متنوعی از دما، سرعت و طراحی مسیر چاپ را در خود جای دهد.
کریستال های مایع به تغییرات محیطی پاسخ می دهند
یک کلاس امیدوارکننده از جوهرها برای چاپ 4 بعدی، کریستال های مایع کلستریک (ChLCs) هستند. در کریستال‌های مایع معمولی، مولکول‌ها مانند یک مایع جریان می‌یابند در حالی که همچنان مانند یک کریستال جامد جهت‌گیری می‌کنند. در ChLC ها، مولکول هایی که در چندین لایه عمودی قرار گرفته اند، می توانند ساختارهای مارپیچی را در جهت گیری خود بپذیرند. مهمتر از همه، این ساختارها را می توان به راحتی و به طور برگشت پذیر در پاسخ به حضور آب، ترکیبات شیمیایی خاص و نیروهای مکانیکی تغییر داد - که همگی ویژگی های نوری آنها را تغییر می دهند.
در مطالعه خود که در آن شرح می دهند مواد کاربردی پیشرفته, سول و همکارانش از یک گونه سوسک شاخ بلند الهام گرفتند (Tmesisternus isabellae) که در پاسخ به رطوبت رنگ کمانی خود را تغییر می دهد. برای بازتولید این اثر، محققان جوهر ChLC را در پشت یک سوسک چاپ سه بعدی قرار دادند، سپس این لایه را با اسید به گونه‌ای درمان کردند که ساختار کریستالی آن به رطوبت پاسخ دهد.
در شرایط رطوبت بالا، جوهر متورم می شود. این امر ساختار مولکولی مارپیچی آن را تغییر داد و باعث شد که رنگ پر جنب و جوش سوسک از سبز به قرمز تبدیل شود. هنگامی که رطوبت از بین رفت، جوهر به ساختار اولیه خود بازگشت و سوسک دوباره سبز شد.
یک کیس باز و بسته
در آزمایشی موازی، سول و همکارانش یک پوسته گوش ماهی باز را از یک ماده الاستومری ChLC که در رطوبت بالا مستعد تورم بود، چاپ کردند. سپس تیم یک طرف پوسته را با نور درمان کردند تا این واکنش رطوبت را از بین ببرند، در حالی که طرف دیگر را با اسید مانند سوسک درمان کردند. این بدان معناست که وقتی در معرض هوای خشک قرار می‌گیرد، طرف اسیدی منقبض می‌شود و باعث می‌شود که پوسته بسته شود و پس از بازگشت هوای مرطوب دوباره باز شود.
تکنیک جوهر افشان رنگین کمانی از رنگ های ساختاری را از یک جوهر شفاف چاپ می کند
تیم Sol می‌گوید که این رفتارهای برگشت‌پذیر و پاسخ‌دهنده به محرک‌ها می‌توانند الهام‌بخش کاربردهایی در رباتیک و فناوری‌های حسی باشند. آنها می توانند به ویژه در مراقبت های بهداشتی مفید باشند، جایی که دستگاه های پرینت سه بعدی پوشیدنی مقرون به صرفه به بیماران این امکان را می دهد که علائم خود را به سادگی با ردیابی رنگ های رنگین کمانی متغیر دستگاه ها کنترل کنند.
