Pesquisadores na Holanda produziram modelos de um besouro que muda de cor e de uma concha de vieira que abre e fecha em resposta às mudanças de umidade do ar circundante. Inspirado nas estruturas iridescentes da natureza, Jeroen Sol e colegas da Universidade de Tecnologia de Eindhoven mostraram que poderiam integrar um cristal líquido especializado em técnicas padrão de impressão 3D, criando dispositivos “impressos em 4D” que reagem às mudanças nos ambientes.
Ao longo de milhões de anos, muitos organismos desenvolveram estruturas em microescala em suas anatomias que lhes permitem mudar suas cores vibrantes e iridescentes em resposta a estímulos. Recentemente, pesquisadores desenvolveram tintas que mudam de cor da mesma maneira e começaram a experimentar incorporá-las em estruturas impressas em 3D.
Esta tecnologia foi apelidada de impressão 4D, onde a quarta dimensão representa alterações reversíveis e variáveis no tempo nas estruturas após a impressão. Uma técnica amplamente utilizada na impressão 4D é depositar tinta diretamente nas estruturas impressas em 3D. Esta abordagem pode acomodar muitos tipos de materiais, bem como uma gama versátil de temperaturas de impressão, velocidades e designs de percurso.
Os cristais líquidos respondem às mudanças ambientais
Uma classe particularmente promissora de tintas para impressão 4D são os cristais líquidos colestéricos (ChLCs). Nos cristais líquidos convencionais, as moléculas fluem como um líquido enquanto ainda se orientam como um cristal sólido. Nos ChLCs, as moléculas dispostas em múltiplas camadas verticais podem adotar estruturas espirais em suas orientações. Crucialmente, estas estruturas podem ser variadas de forma fácil e reversível em resposta à presença de água, certos compostos químicos e forças mecânicas – todos os quais alteram as suas características ópticas.
Em seu estudo, que eles descrevem em Materiais funcionais avançados, Sol e colegas se inspiraram em uma espécie de besouro longhorn (Tmesisternus isabellae) que muda sua cor iridescente em resposta à umidade. Para reproduzir esse efeito, os pesquisadores incorporaram tinta ChLC nas costas de um besouro impresso em 3D e, em seguida, trataram essa camada com ácido de forma que sua estrutura cristalina respondesse à umidade.
Em condições de alta umidade, a tinta inchou. Isso alterou sua estrutura molecular em espiral, fazendo com que a cor vibrante e iridescente do besouro se transformasse de verde em vermelho. Depois que a umidade foi removida, a tinta voltou à sua estrutura original e o besouro ficou verde novamente.
Um caso aberto e fechado
Em um experimento paralelo, Sol e colegas imprimiram uma concha de vieira aberta a partir de um material elastômero ChLC propenso a inchar em alta umidade. A equipe então tratou um lado da casca com luz para remover essa resposta à umidade, enquanto tratava o outro lado com ácido, como fizeram com o besouro. Isso significava que, quando exposto ao ar seco, o lado tratado com ácido encolhia, fazendo com que a carcaça se fechasse, apenas para abrir novamente quando o ar úmido fosse restaurado.
A técnica de jato de tinta imprime arco-íris de cores estruturais a partir de uma única tinta transparente
A equipe de Sol afirma que esses comportamentos reversíveis e responsivos a estímulos podem inspirar aplicações em robótica e tecnologias de detecção. Eles poderiam ser particularmente úteis na área da saúde, onde dispositivos impressos em 3D acessíveis e vestíveis permitiriam aos pacientes monitorar seus sintomas simplesmente rastreando as cores iridescentes variáveis dos dispositivos.
