Applicazione del principio della farfalla
I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno creato colori artificiali stampando in 3D alcune nanostrutture ispirate a quelle di una farfalla. Questo principio potrà essere utilizzato in futuro per produrre schermi a colori.
Per la loro nuova tecnologia, gli scienziati del gruppo di Andrew deMello, professore di ingegneria biochimica, hanno tratto ispirazione dalle farfalle. Le ali della specie Cynandra opis , originaria dell’Africa tropicale, sono decorate con colori brillanti. Questi sono prodotti da strutture superficiali regolari estremamente intricate nella gamma di dimensioni della lunghezza d’onda della luce visibile. Deviando i raggi luminosi, queste strutture amplificano o annullano le singole componenti cromatiche della luce. Guidati da deMello, i ricercatori sono riusciti a replicare le strutture di superficie di Cynandra opis, così come altre strutture modificate, utilizzando una tecnica di stampa nano-3D. In questo modo hanno creato un principio di facile utilizzo per la produzione di strutture che generano colori strutturali.
Esistono numerosi esempi di tale colorazione strutturale in natura, comprese strutture superficiali irregolari, che si trovano ad esempio in altre specie di farfalle. “Le normali nanostrutture sulle ali di Cynandra opis , tuttavia, erano particolarmente adatte alla ricostruzione utilizzando la stampa 3D”, spiega Xiaobao Cao, ex dottoranda del gruppo deMello e autore principale di questo studio. Le strutture di Cynandra opis sono costituite da due strati di griglia impilati perpendicolarmente l’uno all’altro, con una spaziatura del reticolo di circa 1/2 a 1 micrometro.
La griglia a due strati al microscopio elettronico. Sulla sinistra c’è un dettaglio di un’ala di farfalla e sulla destra una porzione della struttura stampata in 3D. La spaziatura del reticolo è di circa 250 nanometri. (Foto: Cao et al. Advanced Materials 2022)
Tutta la tavolozza dei colori
Variando questa spaziatura del reticolo e l’altezza delle barre reticolari nell’intervallo compreso tra 250 nanometri e 1,2 micrometri, i ricercatori dell’ETH sono stati in grado di produrre strutture stampate in 3D che generano tutti i colori dello spettro visibile. Molti di questi colori non sono presenti nel modello naturale (la farfalla) su cui si basano le loro strutture.
I ricercatori sono riusciti a produrre tali superfici utilizzando diversi materiali, incluso un polimero trasparente . “Ciò ha permesso di illuminare la struttura da dietro per far risaltare il colore”, spiega Stavros Stavrakis, uno scienziato senior del gruppo deMello e coautore dello studio. “Questa è la prima volta che siamo riusciti a produrre tutti i colori dello spettro visibile come colori strutturali in un materiale traslucido.”
Funzione di sicurezza
Come parte dello studio, gli scienziati hanno prodotto un’immagine in miniatura di pixel strutturali multicolori che misurano 2 x 2 micrometri. Immagini così minuscole potrebbero un giorno essere utilizzate come elemento di sicurezza su banconote e altri documenti. Poiché i colori possono essere prodotti con materiale trasparente, sarebbe anche possibile produrre filtri colorati per tecnologie ottiche. Ciò si sposa bene con la principale attività di ricerca del gruppo del Professor deMello dell’ETH, che sviluppa sistemi microfluidici – sistemi miniaturizzati per esperimenti chimici e biologici.
È anche concepibile la produzione su larga scala di nanostrutture, affermano i ricercatori. Una struttura negativa potrebbe essere stampata in 3D per fungere da modello, il che consentirebbe di produrre un gran numero di riproduzioni. Ciò significa che il principio potrebbe essere adatto per la produzione di display a colori ad alta risoluzione, come schermi pieghevoli sottili. E infine, gli scienziati sottolineano che i colori strutturali potrebbero sostituire i pigmenti utilizzati oggi nella stampa e nella pittura. I colori strutturali presentano alcuni vantaggi rispetto ai pigmenti convenzionali: durano più a lungo perché non sbiadiscono se esposti alla luce e nella maggior parte dei casi hanno un migliore impatto ambientale.
