永不褪色的颜色，研究人员受蝴蝶翅膀启发3D打印出全彩色光谱

南极熊获悉，苏黎世联邦理工学院的研究人员从一只蝴蝶的翅膀中获得灵感，成功地3D打印出了人造的彩色纳米结构。

原产于热带非洲的Cynandra opis蝴蝶的翅膀因其鲜艳的色彩而出名，然而，这些颜色不是基于颜料，而是结构性的，这意味着它们是由翅膀表面复杂的纳米结构产生的。Cynandra opis的翅膀是通过偏转和折射可见光，放大了某些颜色成分，从而产生了宝石般的光泽。

由生化工程教授Andrew deMello领导的研究小组，已经成功地使用一种定制的纳米打印技术重新创造了这些自然存在的结构。

该研究的主要作者Xiaobao Cao解释说："Cynandra opis翅膀上的规则纳米结构特别适合使用3D打印技术进行重建。"

△雄性Cynandraopis蝴蝶作为3D打印结构颜色的模型。照片来自苏黎世联邦理工学院。

通过3D纳米打印技术模仿Cynandraopis色彩结构

在显微镜下观察，Cynandra opis蝴蝶的翅膀由相互堆叠的二维网格线条组成。这些线条之间的自然间隔在0.5-1微米之间。

通过3D打印相同的柱状网格，并在250纳米和1.2微米之间改变间距和高度，ETH的研究人员发现，可以产生几乎任何可见光谱上的颜色。该研究中实现的许多色调甚至不是Cynandra opis翅膀的原生色。此外，这些纳米结构被3D打印在各种材料中，包括透明聚合物。

该研究的共同作者Stavros Stavrakis解释说："当把光打到纳米结构的后面时，会呈现出不同的颜色，这也是我们第一次成功地在半透明材料中生产出可见光谱的所有颜色作为结构颜色。"

△两层网格的SEM成像；左边是一个蝴蝶翅膀的细节，右边是3D打印结构的一部分。图片来自苏黎世联邦理工学院。

该技术可以在哪里应用？

为了给他们的技术找到一个应用，ETH团队3D打印了一个由结构性彩色像素组成的2×2微米的微小图像。研究人员认为，类似的微小图像最终可以应用到纸币和其他文件的认证当中。

由于颜色可以使用透明材料进行3D打印，因此也有可能为光学设备生产彩色过滤器。这一特殊的应用将与deMello的研究小组相吻合，该小组专门从事微流控系统的开发。目前的工作可以帮助化学和生物实验的系统小型化。

ETH团队表示，彩色像素的大规模生产也是可能的。这可能为一种新的高分辨率彩色显示屏铺平道路，甚至可能是柔性屏幕。

最后，研究人员甚至认为，3D打印的结构性颜色可以成为印刷和绘画中使用的颜料的合适替代品。它们不仅会因为抗紫外线引起的褪色而持续更长的时间，而且也会比今天大多数的颜料选择提供更好的环境足迹。

△该技术被用于3D打印全色系。照片来自苏黎世联邦理工学院。

这项研究的更多细节可以在题为 "Replicating the Cynandraopis Butterfly’s Structural Color for Bioinspired Bigrating Color Filters"的论文中找到。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109161

这并不是研究人员第一次从大自然事物中攫取灵感，以实现变色的3D打印应用。就在最近，来自都柏林三一学院和SFI先进材料和生物工程研究中心（AMBER）的研究人员在孔雀变色羽毛的基础上开发了一套新颖的微型3D打印气体传感器。这种3D打印的传感器能够在某些溶剂蒸汽的存在下改变颜色，可以作为一种非常直观的方式来检测危险的污染物。

在其他地方，来自埃因霍温科技大学（TUE）的科学家们开发了一种新型的3D打印变色液晶墨水，从而开拓了新的领域。这种墨水可以根据观察的角度改变颜色，使其像珠宝甲虫的外表或软体动物外壳的内部一样呈现出彩虹色。