Raziskovalci na Nizozemskem so izdelali modele hrošča, ki spreminja barvo, in lupine pokrovače, ki se odpira in zapira kot odziv na spreminjajočo se vlažnost v okoliškem zraku. Po navdihu mavričnih struktur v naravi, Jeroen Sol in sodelavci na Univerzi za tehnologijo v Eindhovnu so pokazali, da lahko integrirajo specializiran tekoči kristal v standardne tehnike 3D-tiskanja in ustvarijo "4D-natisnjene" naprave, ki se odzivajo na spreminjajoče se okolje.
V milijonih let so številni organizmi razvili strukture na mikro merilu v svojih anatomijah, ki jim omogočajo spreminjanje živahnih mavričnih barv kot odziv na dražljaje. Pred kratkim so raziskovalci razvili črnila, ki spreminjajo barvo na enak način, in začeli eksperimentirati z njihovo vključitvijo v 3D-natisnjene strukture.
To tehnologijo so poimenovali 4D tiskanje, kjer četrta dimenzija predstavlja reverzibilne, časovno spremenljive spremembe struktur po tiskanju. Ena pogosto uporabljenih tehnik pri 4D tiskanju je nanos črnila neposredno na 3D natisnjene strukture. Ta pristop lahko sprejme številne vrste materialov, kot tudi vsestranski razpon temperatur tiskanja, hitrosti in načrtov poti.
Tekoči kristali se odzivajo na okoljske spremembe
Posebno obetaven razred črnil za 4D-tiskanje so holesterični tekoči kristali (ChLC). V običajnih tekočih kristalih molekule tečejo kot tekočina, medtem ko so še vedno usmerjene kot trden kristal. V ChLC lahko molekule, razporejene po več navpičnih plasteh, sprejmejo spiralne strukture v svojih usmeritvah. Bistveno je, da je te strukture mogoče preprosto in reverzibilno spreminjati glede na prisotnost vode, nekaterih kemičnih spojin in mehanskih sil – vse to spremeni njihove optične značilnosti.
V svoji študiji, ki jo opisujejo v Napredni funkcionalni materiali, Sol in njegovi sodelavci so črpali navdih iz vrste dolgorogega hrošča (Tmesisternus isabellae), ki spreminja svojo mavrično barvo kot odziv na vlažnost. Da bi poustvarili ta učinek, so raziskovalci črnilo ChLC vključili na hrbtno stran 3D-natisnjenega hrošča, nato pa to plast obdelali s kislino tako, da bi se njena kristalna struktura odzvala na vlago.
V pogojih visoke vlažnosti je črnilo nabreknilo. To je spremenilo njegovo spiralno molekularno strukturo, zaradi česar se je živahna mavrična barva hrošča spremenila iz zelene v rdečo. Ko je bila vlaga odstranjena, se je črnilo vrnilo nazaj v prvotno strukturo in hrošč je spet postal zelen.
Odprto in zaprto ohišje
V vzporednem eksperimentu so Sol in sodelavci natisnili odprto lupino pokrovače iz ChLC elastomernega materiala, ki je nagnjen k nabrekanju pri visoki vlažnosti. Ekipa je nato obdelala eno stran lupine s svetlobo, da bi odstranila ta odziv vlage, medtem ko je drugo stran obdelala s kislino, kot so to storili s hroščem. To je pomenilo, da se je stran, obdelana s kislino, ko je bila izpostavljena suhemu zraku, skrčila, kar je povzročilo, da se je lupina zaprla, da bi se znova odprla, ko je bil znova na voljo vlažen zrak.
Inkjet tehnika natisne mavrico strukturnih barv iz enega samega prozornega črnila
Solova ekipa pravi, da bi ta reverzibilna vedenja, ki se odzivajo na dražljaje, lahko navdihnila aplikacije v robotiki in tehnologijah zaznavanja. Lahko bi bile še posebej uporabne v zdravstvu, kjer bi cenovno dostopne, nosljive 3D tiskane naprave omogočile bolnikom, da spremljajo svoje simptome preprosto s sledenjem spremenljivim prelivajočim se barvam naprav.
