Effets de couleur des nanostructures imprimées 3D transparentes

Anonim

La plupart des objets que nous voyons sont colorés par des pigments, mais l'utilisation de pigments présente des inconvénients: de telles couleurs peuvent s'estomper, les pigments industriels sont souvent toxiques et certains effets de couleur sont impossibles à obtenir. Le monde naturel présente cependant une coloration structurelle, où la microstructure d'un objet fait apparaître diverses couleurs. Les plumes de paon, par exemple, sont brunes pigmentées, mais, à cause des longs creux dans les plumes, reflètent les magnifiques bleus et verts irisés que nous voyons et admirons. Les récents progrès technologiques ont rendu possible la fabrication du type de nanostructures qui aboutissent à la coloration structurelle, et des informaticiens de l’Institut des sciences et des technologies d’Autriche et de l’Université des sciences et technologies King Abdullah ont créé un outil informatique qui crée automatiquement des modèles d'impression 3D pour les nanostructures correspondant aux couleurs définies par l'utilisateur. Leur travail démontre le grand potentiel de coloration structurelle dans l'industrie et ouvre des possibilités pour les non-experts de créer leurs propres conceptions. Ce projet sera présenté au SIGGRAPH 2018, le premier auteur et le post-doctorant d'IST Autriche, Thomas Auzinger.

Les couleurs changeantes d'un caméléon et les bleus et verts irisés du papillon morpho, parmi beaucoup d'autres dans la nature, sont le résultat de la coloration structurelle, où les nanostructures causent des effets d'interférence dans la lumière. La coloration structurelle présente certains avantages par rapport à la coloration avec des pigments (où des longueurs d’ondes particulières sont absorbées), mais jusqu’à une date récente, la fabrication de ces nanostructures nécessitait des méthodes hautement spécialisées. Les nouvelles "écritures directes au laser" coûtent cependant à peu près autant qu'une imprimante 3D industrielle de haute qualité et permettent d'imprimer à des centaines de nanomètres (100 à 1 000 fois plus fins qu'un cheveu humain). ouvrir des possibilités pour les scientifiques d'expérimenter la coloration structurelle.

Jusqu'à présent, les scientifiques ont principalement expérimenté des nanostructures qu'ils avaient observées dans la nature, ou avec des conceptions nanostructurales simples et régulières (par exemple, rangée après rangée de piliers). Thomas Auzinger et Bernd Bickel, d'IST Austria, avec Wolfgang Heidrich de KAUST, ont toutefois adopté une nouvelle approche innovante qui se distingue de plusieurs manières. Tout d'abord, ils résolvent la tâche de conception inverse: l'utilisateur saisit la couleur qu'il veut répliquer, puis l'ordinateur crée un motif de nanostructure qui donne cette couleur, plutôt que d'essayer de reproduire des structures trouvées dans la nature. De plus, "notre outil de conception est complètement automatique", explique Thomas Auzinger. "Aucun effort supplémentaire de la part de l'utilisateur n'est requis."

Deuxièmement, les nanostructures dans le modèle ne suivent pas un modèle particulier ou ont une structure régulière; ils semblent être composés aléatoirement - une rupture radicale avec les méthodes précédentes, mais avec de nombreux avantages. "En regardant le modèle produit par l'ordinateur, je ne peux pas dire par la structure seule si je vois un motif pour le bleu, le rouge ou le vert", explique Auzinger. "Mais cela signifie que l'ordinateur trouve des solutions que nous, les humains, ne pouvions pas. Cette structure de forme libre est extrêmement puissante: elle permet une plus grande flexibilité et ouvre des possibilités pour des effets de coloration supplémentaires." Par exemple, leur outil de conception peut être utilisé pour imprimer un carré qui apparaît rouge d'un angle et bleu d'un autre (appelé coloration directionnelle).

Enfin, les efforts antérieurs se sont également heurtés à la fabrication: les dessins étaient souvent impossibles à imprimer. Le nouvel outil de conception garantit toutefois que l'utilisateur se retrouvera avec un modèle imprimable, ce qui le rend extrêmement utile pour le développement futur de la coloration structurelle dans l'industrie. "L'outil de conception peut être utilisé pour prototyper de nouvelles couleurs et d'autres outils, ainsi que pour trouver des structures intéressantes qui pourraient être produites industriellement", ajoute Auzinger. Les premiers tests de l'outil de conception ont déjà donné des résultats positifs. "Il est étonnant de voir que quelque chose de entièrement composé de matériaux clairs apparaît coloré, simplement en raison des structures invisibles à l'œil humain", explique Bernd Bickel, professeur à l'IST Austria. "Nous sommes impatients d’expérimenter des matériaux supplémentaires pour élargir la gamme des effets que nous pouvons atteindre."

"Il est particulièrement intéressant de constater le rôle croissant des outils informatiques dans la fabrication", conclut Auzinger, "et encore plus intéressant de voir l'expansion de" l'infographie "englober les images physiques et virtuelles".

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