INVESTIGACIÓN Y DISEÑO


Imitan los colores vibrantes de la naturaleza con una impresora 3D modificada

12/06/2020

CATEGORíA: Nuevos avances MARCA: Universidad de Illinois

Camaleones, mariposas, ópalos de colores brillantes, y ahora algunos materiales impresos en 3D, también son capaces de reflejar el color mediante el uso de estructuras a nanoescala llamadas cristales fotónicos.


Inspirados por la naturaleza, los investigadores de Illinois desarrollaron materiales de color sintéticos basados ​​en estructuras, como los que se encuentran en la piel de camaleón, para tintas de polímeros utilizados en la impresión 3D. Imagen cortesía de Diao Research Group

 

 

Un nuevo estudio de la Universidad de Illinois ha demostrado cómo un proceso de impresión 3D modificado proporciona un enfoque versátil para producir múltiples colores a partir de una sola tinta.

 

Algunos de los colores más vibrantes de la naturaleza provienen de un fenómeno a nanoescala llamado coloración estructural. Cuando los rayos de luz se reflejan en estas estructuras colocadas periódicamente ubicadas en las alas y pieles de algunos animales y dentro de algunos minerales, interfieren constructivamente entre sí para amplificar ciertas longitudes de onda y suprimir otras. Cuando las estructuras están bien ordenadas y son lo suficientemente pequeñas, aproximadamente mil veces más pequeñas que un cabello humano, dijeron los investigadores, los rayos producen una vívida explosión de color.

 

"Es difícil reproducir estos colores vibrantes en los polímeros utilizados para producir elementos como pinturas ecológicas y filtros ópticos altamente selectivos", afirma la directora del estudio, Ying Diao, profesora de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "Se necesita un control preciso de la síntesis y el procesamiento de polímeros para formar las capas increíblemente delgadas y ordenadas que producen el color estructural como vemos en la naturaleza".

 

El estudio informa que al ajustar cuidadosamente el proceso de ensamblaje de polímeros con forma de cepillo de botella con una estructura única durante la impresión 3D, es posible imprimir cristales fotónicos con espesores de capa sintonizables que reflejan el espectro de luz visible de una sola tinta.

 

La tinta contiene polímeros ramificados con dos segmentos unidos químicamente distintos. Los investigadores disuelven el material en una solución que mezcla las cadenas de polímeros justo antes de imprimir. Después de imprimir y cuando la solución se seca, los componentes se separan a escala microscópica, formando capas a nanoescala que exhiben diferentes propiedades físicas dependiendo de la velocidad de montaje.

 

 

 

"El mayor desafío de la síntesis de polímeros es combinar la precisión requerida para el ensamblaje a nanoescala con la producción de las grandes cantidades de material necesarias para el proceso de impresión 3D", dijo el coautor Damien Guironnet, profesor de ingeniería química y biomolecular.

 

En el laboratorio, el equipo utiliza una impresora 3D de consumo modificada para ajustar la velocidad con la que se mueve una boquilla de impresión a través de una superficie con temperatura controlada. "Tener control sobre la velocidad y la temperatura de la deposición de tinta nos permite controlar la velocidad de ensamblaje y el grosor de la capa interna a nanoescala, lo que una impresora 3D normal no puede hacer", dijo Bijal Patel, un estudiante graduado y autor principal del estudio. . "Eso dicta cómo la luz se reflejará en ellos y, por lo tanto, el color que vemos".

 

Los investigadores dijeron que el espectro de color que han logrado con este método es limitado, pero están trabajando para hacer mejoras al aprender más sobre la cinética detrás de cómo se forman las capas múltiples en este proceso.

 

Además, el equipo está trabajando para expandir la relevancia industrial del proceso, ya que el método actual no es adecuado para la impresión de gran volumen. "Estamos trabajando con los grupos Damien Guironnet, Charles Sing y Simon Rogers en la U. de I. para desarrollar polímeros y procesos de impresión que sean más fáciles de controlar, acercándonos a combinar los colores vibrantes producidos por la naturaleza", apunta Diao.

 

"Este trabajo destaca lo que se puede lograr a medida que los investigadores comienzan a dejar de enfocarse en la impresión 3D como una forma de dejar un material a granel en formas interesantes", dice Patel. "Aquí, estamos cambiando directamente las propiedades físicas del material en el punto de impresión y desbloqueando nuevos comportamientos".

 

Los coautores incluyen a los estudiantes de posgrado Dylan J. Walsh y Justin Kwok, el ex estudiante de pregrado Do Hoon Kim y Guironnet, todos de Illinois; y el investigador del Laboratorio Nacional de Argonne, Byeongdu Lee.

 

La National Science Foundation apoyó esta investigación.

 

Fuente: www.news.illinois.edu

 

Volver al listado