La stampa 3D è ormai un gioco da ragazzi, ma realizzare un oggetto in 4D è molto meno facile. Tuttavia, la Eindhoven University of Technology è riuscita a stampare uno scarabeo in 4D. La cosa ha cambiato colore a causa dell’umidità.
Con la stampa 4D bisogna pensare a oggetti tridimensionali che cambiano perché entrano in contatto con la luce, una certa temperatura o umidità. Il dottorando Jeroen Sol della Eindhoven University of Technology si è concentrato sull’umidità. “Noi esseri umani siamo costituiti in gran parte da acqua e un sensore che puoi stampare facilmente ed economicamente con una stampante 3D e che reagisce all’umidità, può avere tutti i tipi di applicazioni nel settore sanitario. Pensa a un anello che misuri la traspirazione, o in futuro forse il tuo livello di zucchero nel sangue.
Ha trovato la sua ispirazione nella natura. “E soprattutto nel Tmesisternus isabellae , uno scarabeo dal corno lungo le cui elitre cambiano colore sotto l’influenza dell’umidità.” I coleotteri Longhorn fanno uso dell’iridescenza, un fenomeno fisico del colore dipendente dall’angolo. Pensa ai colori dell’olio sull’acqua, ma anche alle bolle di sapone.
Cristalli scintillanti
Sol voleva ottenere un effetto simile con lo scarabeo stampato in 4D. “Molti materiali per la stampa 3D (filamenti o resine) sono venduti in un’ampia varietà di colori e tipi, ma in tutti i casi il prodotto finale è un oggetto statico che non cambia forma o colore senza richiedere l’azione umana”, spiega Sol a Scientias. nl. Tuttavia, per rendere lo scarabeo quadridimensionale, ha utilizzato la tecnologia dei cristalli liquidi. Questi cristalli acquisiscono proprietà diverse a seconda del loro allineamento.
“Lo scopo della nostra ricerca era quello di sviluppare un inchiostro per stampa 3D basato su cristalli liquidi in grado di rimediare a entrambi questi ‘difetti'”. Il materiale doveva poter cambiare forma e colore. “Come è ora sviluppato, reagisce all’acqua; liquido o dall’atmosfera. Questo può tradursi in un cambio di colore, come con lo scarabeo, o in un cambio di forma. Ad esempio, un cambio di forma potrebbe essere utilizzato per stampare un piccolo elemento sensibile all’acqua in un insieme più grande. Pensa a una valvola che si chiude o si apre quando l’umidità diventa troppo alta o troppo bassa”.
Piante
d’appartamento Ci sono ancora più applicazioni per i cambi di colore. “Un esempio dal mio ambiente circostante sono le piante d’appartamento: alcune specie sono molto sensibili all’umidità. Quindi potrebbe essere visivamente attraente avere un oggetto che si adatta all’interno della tua casa in grado di indicare a colpo d’occhio se l’umidità è abbastanza buona”.
Il materiale potrebbe essere utile anche per l’elettronica, pensa il ricercatore. “Sempre più elementi elettronici come circuiti stampati o circuiti vengono stampati utilizzando tecniche di estrusione . Un elemento potrebbe quindi essere realizzato anche nell’oggetto stampato con il mio inchiostro che indica se l’umidità è entrata o meno nell’elettronica”.
Un tratto corto e un tratto lungo
Il suo materiale ha il grande vantaggio che il cambiamento di colore è causato dall’ordine molecolare e non dai coloranti. Di conseguenza, il colore è in primo luogo facile da regolare e, in secondo luogo, è altrettanto solido del materiale. È bello, perché non si discute sul gusto, dice il ricercatore. “E i coloranti sono spesso la parte più sensibile di inchiostri, vernici e altri materiali (pensa ai vestiti o ai mobili da giardino che hanno perso il colore, come quando sono stati acquistati). Nel caso del mio inchiostro, il colore è “incrostato” nel materiale, quindi finché il materiale stesso rimane intatto, il colore rimarrà altrettanto brillante”.
Come è fatto l’inchiostro? “Durante la ‘sintesi’ dell’inchiostro vi entra un ‘drogante chirale’, una molecola che rende l’ordine molecolare quello che è: come una spirale. La quantità di drogante influenza la “corsa” di questa spirale. Un sacco di drogante si traduce in un tratto corto, cioè un riflesso di una lunghezza d’onda corta, e quindi il colore blu. E viceversa: meno drogante porta a un tratto più lungo, una lunghezza d’onda di riflessione più lunga, e quindi il colore rosso. Questo può essere controllato interamente a propria discrezione durante la sintesi dell’inchiostro.
Lo scarabeo colorato
Per dimostrare che la tecnologia funziona, Sol ha creato uno scarabeo in 4D. “Prima ho stampato uno scarabeo di plastica dura e ho applicato uno scudo con inchiostro fotonico iridescente. Questo è andato anche con una stampante. Ho quindi trattato questo strato con un acido. Ciò fa sì che i cristalli nell’inchiostro reagiscano all’umidità. Con più umidità, il materiale si gonfia, per così dire, allungando la struttura a spirale dei cristalli. Questo cambia anche il colore”. La cosa grandiosa è che puoi manipolare la sensibilità all’umidità rendendo le molecole meno o più cariche. “Ciò offre tutti i tipi di possibilità per applicazioni future.”
Per testare la sua tecnica, il ricercatore ha posizionato lo scarabeo in uno spazio chiuso dove poteva monitorare l’umidità. Con più umidità, lo scarabeo verde diventava lentamente sempre più rosso. Se abbassava il livello di umidità, lo scarabeo diventava di nuovo verde. “Quest’ultimo è fondamentale”, afferma Sol. «Ciò significa che l’effetto è reversibile. L’oggetto può quindi essere riutilizzato, ad esempio, come sensore”.
Enchanting
Sol è impressionato dai materiali risultanti. “Vedere una molecola che ho creato in una cappa aspirante, una molecola che è di per sé incolore, quindi causare la formazione di colore nel mio inchiostro sarà sempre magico per me. Che dopo la polimerizzazione dell’inchiostro, un trattamento acido normalmente corrosivo, il mio materiale sia diventato quello che è, sensibile all’acqua e dinamico, è forse altrettanto affascinante.
Era sinceramente sorpreso che fosse possibile creare una struttura colorata mediante la stampa 3D. “Ciò richiede alcune premesse: i cristalli liquidi sono liquidi in cui le molecole puntano preferibilmente tutte nella stessa direzione. Questa direzione può essere facilmente controllata, ad esempio dai campi di flusso che si verificano durante la stampa 3D . “Il fatto che il ‘drogante chirale’ fosse comunque abbastanza forte da rompere l’influenza di questo campo di flusso e organizzare una struttura che riflette la luce è stata una grande sorpresa. Senza questa scoperta, questo lavoro non sarebbe mai stato compiuto. Quindi la stampa 3D di oggetti colorati avrebbe probabilmente richiesto un colorante o un pigmento statico per molto più tempo. Per non parlare di un cambiamento di colore sensibile all’umidità…”
Le possibilità future per il suo inchiostro sono infinite, pensa lo scienziato. “Questo materiale sarebbe adatto anche per dispositivi indossabili, come bracciali, orologi o anelli, in cui la sostanza riconoscibile viene rilasciata attraverso la pelle”.
