Es besteht ein starkes Interesse an der Erforschung von Strukturfarben, denn in der Natur zeigen sie sich auf vielfältige Art und Weise. Aufgrund ihrer leuchtenden und schillernden Farben sind Schmetterlingsflügel in der Forschung ein beliebter Untersuchungsgegenstand. Im Gegensatz zu synthetischen Farbstoffen und Pigmenten bieten auf Strukturen basierende Farben Vorteile wie Helligkeit, in der Regel Winkelabhängigkeit, kein Ausbleichen und Umweltfreundlichkeit. Nanoscribe‘s additive Fertigung auf Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ermöglicht die präzise und zuverlässige Herstellung von naturinspirierten Strukturen, die Strukturfarben erzeugen. Die hervorragende räumliche Auflösung des 2PP-basierten 3D-Drucks bis in den Submikrometerbereich ermöglicht die experimentelle Untersuchung von Strukturfarben in Abhängigkeit von verschiedenen Strukturparametern.
Schmetterlingsfarben mit Doppelgitterstrukturen imitieren
Die Flügel des Schmetterlings "Cynandra opis" schillern blau. Inspiriert davon haben Wissenschaftler der ETH Zürich unter der Leitung von Professor Andrew deMello Doppelgitter-Nanostrukturen hergestellt, sogenannte Bigrating-Strukturen, die denen der Schmetterlingsflügel nachempfunden sind. Die 3D-Strukturen bestehen aus zwei senkrecht zueinanderstehenden Gitterschichten, die auch als „gekreuzte Doppelgitterstruktur“ bezeichnet werden. Eine solche Struktur besteht aus zwei Beugungsebenen, wobei eine Reihe von Stegen die erste Ebene und die dazu senkrechte Reihe von Stegen unterhalb die zweite Ebene bildet. Diese orthogonalen Ebenen können das Licht sowohl in der x- als auch in der y-Richtung beugen. Die kombinierten Effekte von Beugung und Interferenz erzeugen Farben.
Flächige Farben mit hochpräzisem 3D-Druck
Auf der Grundlage dieser Beobachtungen entwarfen und druckten die Wissenschaftler die Bigrating-Nanostrukturen mit unterschiedlichen Parametern. Auf diese Weise untersuchten sie den Einfluss von Einfallswinkel, Periode und Höhe auf die Strukturfarben. Variationen der Periode und/oder der Höhe der Rippen beeinflussten sowohl den Farbton als auch die Farbreinheit. Das transparente Substrat, das zum Drucken der Strukturen verwendet wurde, ermöglichte es, die Strukturen von hinten zu beleuchten, um den Färbungseffekt unter verschiedenen Einfallswinkeln zu erzeugen. Variationen der Gitterperiode zwischen der ersten und der zweiten Ebene bei gleichbleibender Gitterhöhe führten zur Erzeugung einer vollständigen Palette von Farbpixeln in einer Ebene, die das sichtbare Spektrum abdeckt. Diese Art von Bigrating-Struktur wurde verwendet, um ein metergroßes Bild verkleinert als Miniaturbild mit Millimeter-Abmessungen und Mikrometer-Pixelgröße zu drucken. Die verschiedenfarbigen Strukturen werden wahrscheinlich ihre Anwendungen finden, zum Beispiel in digitalen 3D-Displays, Farbfiltern und in Datenspeichern mit hoher Dichte, z.B. in Mikrobildschirmen.
3D-Formen mit Strukturfarben
Der Übergang von der strukturbasierten 2D-Farbgebung zu beliebigen 3D-Objekten, die strukturbasierte Farben zeigen, ist noch immer eine Herausforderung. Strukturbasierte Farben ermöglichen es auch, dreidimensionale Objekte mit unterschiedlichen Farben zu gestalten. Photonische Kristalle als gestapelte Gitterstrukturen sind hierbei die Bausteine zur Fertigung von 3D-Objekten mit Strukturfarben. Wenn sogenannte Woodpile Photonic Crystals (WPCs) von oben beleuchtet werden, um sichtbare Stoppbänder zu erreichen, zeigen sich die Farben. Dafür benötigen die Strukturen allerdings eine Auflösung von unter 500 Nanometern in allen Raumdimensionen. Auch mit dem direkten Laserschreiben bleibt die Herstellung solcher Strukturen herausfordernd. Die Auflösung kann jedoch durch den Einsatz fortschrittlicher Mikrofabrikationssysteme und neuer Druckmaterialien oder durch Nachbearbeitungsschritte wie Wärmeschrumpfen gesteigert werden.
Mit 2PP-basiertem Druck zu strukturierten Farben
Forscher der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung A*STAR in Singapur, der Singapore University of Technology and Design und der Nanyang Technological University arbeiteten gemeinsam an einer neuen Strategie zur Nutzung von WPCs zur Erzeugung von 3D-Strukturfarben: Sie untersuchten theoretisch und experimentell die Bandstrukturen dieser Kristalle unter seitlicher Beleuchtung. Für die Herstellung der WPCs wurde ein einstufiges Druckverfahren angewandt, das Nachbearbeitungsschritte und die erforderliche Fertigung von Gitterkonstanten im Subwellenlängenbereich vermeidet.
Mithilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation von Nanoscribe war es möglich, eine breite Palette von WPCs mit unterschiedlichen Abständen in der Ebene (von 750 bis 1.300 Nanometern) und außerhalb der Ebene (von 900 bis 1.400 Nanometern) herzustellen. Die Höhe der Stäbe beträgt 380 Nanometer und die Breite 130 Nanometer. Mit dieser sehr geringen Stabbreite erreichen die WPCs eine bis zu 50 % hohe Reflexion und damit helle Strukturfarben. Dieser Ansatz ermöglicht WPCs, die eine breite Palette von Farben reflektieren, von Blau, Cyan, Grün, Grün-Gelb, Gelb bis hin zu Rot und Violett. Die von diesen Strukturen erzeugten kräftigen Farben decken mehr als 85 % des sRGB-Farbraums ab und weisen eine ausgezeichnete Farbreinheit auf.
Farblich abstimmbare 3D-Formen
Die Forscher erprobten auch den Druck beliebiger 3D-Formen mit Farbgebung. Sie druckten den Merlion, das ikonische Maskottchen Singapurs und ein 3DBenchy-Modell, das als Benchmark für die 3D-Druckfähigkeiten gilt. Diese 3D-Formen sind farbstark und demonstrieren die Möglichkeit, verschiedenen Teile der 3D-Objekte farblich unterschiedlich einzustellen. Eine präzise Farbabstimmung auf Voxel-Ebene wurde durch gleichzeitiges Ändern der Abstände innerhalb und außerhalb der Ebene selbst bei komplizierten Geometrien erreicht. Die von diesen Strukturen reflektierten Farben ermöglichen die Darstellung sowohl gradueller als auch abrupter Farbänderungen. Die Ergebnisse der Untersuchung werden neue Anwendungen für 3D-Freiform-Strukturfarben in Bereichen wie farbbasierten Sensoren, Farbdisplays, lichtemittierenden Geräte und für Anwendungen zur Fälschungssicherheit eröffnen.
Sind Sie an weiterführenden Einblicken in diese spannende Forschungsprojekte interessiert? Dann lesen Sie hier die komplette wissenschaftliche Publikationen: Bioinspired "Cynandra opis" butterfly’s structural colors und 3D structural colors by 3D-printed woodpile photonic crystals.
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