3D 打印纳米结构可创建蝴蝶翅膀等结构颜色

从时尚和艺术到色彩和轻量化研究，蝴蝶翅膀激发了许多创新，最近是来自苏黎世联邦理工学院的一组研究人员，他们的最新工作有朝一日可能会带来更好的彩色屏幕。在他们的研究中，该团队解释了他们如何使用 3D 打印的受蝴蝶启发的纳米结构来创造人造的结构颜色，与更典型的颜料相比，这些颜色通常具有更好的环境足迹，并且在暴露于光线时不会褪色。

摘要指出，“多层光栅结构，例如在蝴蝶 Cynandra opis的翅膀上发现的那些，能够与光相互作用以产生结构着色。当以特定角度照射和观察时，这种结构颜色的特点是具有非凡的纯度和亮度。为了进一步了解结构着色的机制，双光子激光光刻技术用于制造仿生大光栅纳米结构，其光学特性可以通过光栅特征的高度和周期的变化来控制。”

合成染料自 1850 年代以来一直在使用，但它们的寿命、亮度和纯度有限，而且对环境有害。与光吸收产生的颜色相比，更持久的结构着色来自与研究人员所谓的“周期性微米或纳米结构”相互作用的可见光，这会导致衍射、干涉和散射，以及这种颜色, 更稳定、更有活力、更可调。自然界中发现的结构颜色的一个主要例子是蝴蝶翅膀。

Cynandra opis 蝴蝶物种原产于热带非洲，由于“可见光波长范围内的非常复杂的规则表面结构”，它的翅膀颜色很漂亮。这些翅膀启发了生化工程教授 Andrew deMello 小组的研究人员。导致机翼颜色的复杂表面结构会偏转光线，从而抵消或放大光的各个颜色分量。由 deMello 领导的团队使用纳米 3D 打印技术复制了这种特殊蝴蝶的翅膀表面结构。

当然，还有其他蝴蝶物种的翅膀具有结构颜色，甚至是不规则的表面，但这对团队的研究很重要。

deMello 小组的前博士生、本研究的主要作者曹晓宝解释说：“然而， Cynandra opis翅膀上的规则纳米结构特别适合使用 3D 打印进行重建。”

Cynandra opis蝴蝶的翅膀结构由两个网格层组成，网格间距大约为 0.5 到 1 微米，彼此垂直堆叠。研究人员将 250 纳米到 1.2 微米之间的晶格棒的高度以及晶格间距更改为 3D 打印结构，正如他们所解释的那样，“生成可见光谱的所有颜色”，甚至一些不是t 自然发生在蝴蝶本身中。他们甚至能够使用不同的材料（例如透明聚合物）打印表面。

“这使得从后面照亮结构以带出颜色成为可能。这是我们第一次设法在半透明材料中产生可见光谱的所有颜色作为结构颜色，”deMello 小组的高级科学家、该研究的合著者 Stavros Stavrakis 说。

研究人员使用了双光子聚合或 2PP 3D 打印，因为它以前“在创建分辨率低至 150 nm 的聚合物结构方面效果很好”，而且它提供了出色的空间分辨率。具体来说，他们使用 Nanoscribe 的 Photonic Professional GT 来 3D 打印结构。

科学家们使用结构色原理来创建全色谱。这里的单个像素尺寸为 120 x 120 微米。（照片：曹等人。Advanced Materials 2022）

“我们表明，在一个结构中结合两个交叉光栅，模仿 C. opis翅膀中的特征，可以直接生成和调整结构颜色。此外，我们的综合方法结合了光学显微镜/光谱学和有限元法 (FEM) 模拟，能够详细研究各种大光栅配置中的着色机制。”

该团队成功地 3D 打印了一张多色调、2 x 2 微米、结构彩色像素的小图像，以测试他们的理论，并且将来可以将如此微小的图像用作重要文件的安全特征。此外，可以为光学技术制造滤色器，因为研究人员确定他们可以用透明材料产生颜色。研究人员还认为，他们的技术可用于 3D 打印大规模纳米结构，这意味着他们将能够创建高分辨率彩色显示器，如数字 3D 显示器和高密度存储微图像显示器。

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