Colore strutturale sintonizzabile dei copolimeri per blocchi attraverso la stampa 3D a scrittura diretta da soluzione

I RICERCATORI DELL’ILLINOIS IMITANO I VIVACI COLORI DELLA NATURA USANDO UNA STAMPANTE 3D MODIFICATA

I ricercatori con sede negli Stati Uniti hanno prodotto uno studio che descrive in dettaglio un processo di stampa 3D modificato che fornisce un approccio versatile alla produzione di più colori da un singolo inchiostro.

La tecnica di stampa 3D imita la colorazione strutturale che si trova in natura, per cui i colori sono prodotti attraverso superfici microscopicamente strutturate in creature viventi e minerali come camaleonti, farfalle e opali. In questo caso, i materiali stampati in 3D sono in grado di riflettere il colore sintonizzandoli con precisione per includere strutture in nanoscala chiamate cristalli fotonici.

“È difficile riprodurre questi colori vibranti nei polimeri utilizzati per produrre articoli come vernici ecologiche e filtri ottici altamente selettivi”, spiega il leader dello studio Ying Diao, professore di ingegneria chimica e biomolecolare all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign. “È necessario un controllo preciso della sintesi e della lavorazione dei polimeri per formare gli strati incredibilmente sottili e ordinati che producono il colore strutturale come vediamo in natura.”

Replica della colorazione strutturale con la stampa 3D

Una gamma di colori vivaci può essere trovata in natura – dalle piume degli uccelli alle squame delle farfalle. Molti di questi colori abbaglianti sono l’effetto di un fenomeno su scala nanometrica noto come colorazione strutturale.

Questo processo si verifica quando i raggi luminosi si riflettono su strutture posizionate periodicamente situate nelle ali e nelle pelli di alcuni animali e all’interno di alcuni minerali. Interferiscono in modo costruttivo tra loro per amplificare alcune lunghezze d’onda e reprimerne altre. Quando le strutture sono ben ordinate e abbastanza piccole – circa mille volte più piccole di un capello umano, spiegano i ricercatori – il risultato è una vivida esplosione di colore, prodotta dai raggi.

Il team di ricerca, guidato da Diao, spiega nel loro studio che sintonizzando attentamente il processo di assemblaggio di polimeri a forma di scovolino a struttura unica durante la stampa 3D, è possibile fabbricare cristalli fotonici con spessori di strato sintonizzabili che riflettono lo spettro di luce visibile da un singolo inchiostro.


All’interno dell’inchiostro sono contenuti polimeri ramificati con due segmenti legati chimicamente distinti. Il materiale viene dissolto in una soluzione che lega le catene polimeriche appena prima della stampa 3D. Dopo la fabbricazione e quando la soluzione si asciuga, i componenti si separano su scala microscopica, stabilendo strati su nanoscala che producono una varietà di proprietà fisiche a seconda della velocità di assemblaggio.

“La più grande sfida della sintesi polimerica è combinare la precisione richiesta per l’assemblaggio su nanoscala con la produzione di grandi quantità di materiale necessario per il processo di stampa 3D”, commenta il coautore Damien Guironnet, professore di ingegneria chimica e biomolecolare.

Per ottimizzare la velocità con cui un ugello di stampa si sposta su una superficie a temperatura controllata, il team di ricerca ha deciso di utilizzare una stampante 3D di consumo modificata in laboratorio: “Avere il controllo della velocità e della temperatura della deposizione dell’inchiostro ci consente di controllare la velocità di assemblaggio e spessore dello strato interno su scala nanometrica, cosa che una normale stampante 3D non può fare ”, aggiunge Bijal Patel, uno studente laureato e autore principale dello studio. “Questo determina come la luce si rifletterà su di loro e, quindi, sul colore che vediamo.”

Anche se attualmente con questo metodo, lo spettro di colori raggiunto è stato limitato, il team di ricerca sta lavorando per stabilire miglioramenti imparando di più sulla cinetica alla base di come si formano gli strati multipli in questo processo. Inoltre, stanno anche cercando di espandere la rilevanza industriale del processo, poiché l’attuale metodo non è adatto per la stampa di grandi volumi: “Stiamo lavorando con i gruppi Damien Guironnet, Charles Sing e Simon Rogers presso l’U. of I. sviluppare polimeri e processi di stampa più facili da controllare, avvicinandoci all’abbinamento dei colori vibranti prodotti dalla natura “, spiega Diao.

“Questo lavoro mette in luce ciò che è possibile ottenere quando i ricercatori iniziano a spostarsi concentrandosi sulla stampa 3D come solo un modo per mettere giù un materiale sfuso in forme interessanti”, aggiunge Patel.

“QUI, STIAMO CAMBIANDO DIRETTAMENTE LE PROPRIETÀ FISICHE DEL MATERIALE NEL PUNTO DI STAMPA E SBLOCCANDO NUOVI COMPORTAMENTI.”

Lo studio, ” Colore strutturale sintonizzabile dei copolimeri per blocchi di scovolino attraverso la stampa 3D a scrittura diretta da soluzione “, è pubblicato su Science Advances . Co-autori includono i dottorandi Dylan J. Walsh e Justin Kwok, ex studente universitario Do Hoon Kim e Guironnet, tutti dell’Illinois; e il ricercatore del laboratorio nazionale Argonne Byeongdu Lee.

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