3D-gedruckte Nanostrukturen Neue Farben, von Schmetterlingen beflügelt

Von Dr. Fabio Bergamin*

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Kraftvolle Farben ohne ein einziges Pigment: Was Schmetterlinge schon lange auf ihren Flügeln zur Schau stellen, bilden Wissenschaftler mittlerweile technisch nach. Nun hat ein Team der ETH Zürich die farbgebenden Mikrostrukturen mit einem neuen 3D-Druckverfahren erzeugt und variiert.

Mit dem neuen Prinzip lassen sich alle Farben erzeugen. Ein einzelnes Pixel misst hier 120 x 120 Mikrometer.
Mit dem neuen Prinzip lassen sich alle Farben erzeugen. Ein einzelnes Pixel misst hier 120 x 120 Mikrometer.
(Bild: Cao et al. Advanced Materials 2022)

Zürich/Schweiz – Schmetterlinge sind Profis der Farbgebung: Sie kleiden ihre Flügel in schillernde Rot-, Gelb, und Blautöne – und das alles ohne ein einziges Pigment. Stattdessen basiert die Farbigkeit auf der Mikrostruktur der Schmetterlingsflügel, die manche Wellenlängen des Sonnenlichts reflektiert, andere hingegen nicht, und so den leuchtenden Farbeindruck erzeugt.

Dieses Prinzip haben sich Wissenschaftler aus der Gruppe von Andrew deMello, Professor für Biochemie-Ingenieurwesen an der ETH Zürich, zum Vorbild genommen. Ihnen ist es gelungen, die Oberflächenstrukturen des afrikanischen Tropenfalters Cynandra opis sowie weitere davon abgewandelte Strukturen mit einem Nano-3D-Drucker zu reproduzieren. Damit schufen sie ein einfach anzuwendendes Prinzip der Herstellung von so genannten Strukturfarben.

Das Männchen der tropischen Schmetterlingsart Cynandra opis diente den 3D-​gedruckten Strukturfarben als Vorbild.
Das Männchen der tropischen Schmetterlingsart Cynandra opis diente den 3D-​gedruckten Strukturfarben als Vorbild.
(Bild: ETH Zürich)

In der Natur gibt es zahlreiche Beispiele solcher Strukturfarben. „Die regelmäßigen Nanostrukturen auf den Flügeln von Cynandra opis waren aber besonders gut geeignet, um sie mittels 3D-Druck nachzustellen“, sagt Xiaobao Cao, ehemaliger Doktorand in deMellos Gruppe und Erstautor der Studie. Diese Strukturen bestehen aus zwei übereinanderliegenden und rechtwinklig zueinander angeordneten Lagen von Gitterrosten mit einem Gitterabstand von rund einem halben bis einem Mikrometer.

Das ganze Farbspektrum aus dem 3D-Drucker

Durch Variation dieses Gitterabstands und der Höhe der Gitterstäbe im Größenbereich von 250 Nanometern bis 1,2 Mikrometern lässt sich die Farbe variieren, wie die ETH-Forscher gezeigt haben. So war es ihnen möglich, mithilfe des 3D-Drucks alle Farben des sichtbaren Spektrums herzustellen. Darunter sind viele Farben, die beim natürlichen Vorbild nicht vorkommen.

Das zweistöckige Gitternetz unter dem Elektronenmikroskop. Links ein Ausschnitt eines Schmetterlingsflügels, rechts von einer 3D-​gedruckten Struktur. Die Gitterabstände betragen rund 250 Nanometer.
Das zweistöckige Gitternetz unter dem Elektronenmikroskop. Links ein Ausschnitt eines Schmetterlingsflügels, rechts von einer 3D-​gedruckten Struktur. Die Gitterabstände betragen rund 250 Nanometer.
(Bild: Cao et al. Advanced Materials 2022)

Den Wissenschaftlern gelang es, die Oberflächen mit unterschiedlichen Materialien herzustellen, u. a. mit einem transparenten Polymer. „Damit war es möglich, die Struktur von hinten zu beleuchten, um die Farbe hervorzubringen“, erklärt Stavros Stavrakis, Wissenschaftler in deMellos Gruppe und Mitautor der Studie. „Wir haben es damit zum ersten Mal geschafft, alle Farben des sichtbaren Spektrums als Strukturfarben in einem lichtdurchlässigen Material zu erzeugen.“

Einsatz als Sicherheitsmerkmal und mehr

In der Studie stellten die Wissenschaftler ein Miniaturbild aus verschiedenfarbigen Strukturfarben-Pixeln von zwei mal zwei Mikrometern her. Solche Miniaturbilder könnten perspektivisch als Sicherheitsmerkmal bei Banknoten und anderen Dokumenten eingesetzt werden. Weil sich die Farben mit transparentem Material herstellen lassen, wäre außerdem die Produktion von Farbfiltern für nanotechnologische optische Messgeräte möglich, etwa in Mikrofluidik-Systemen.

Vergrösserung eines Miniaturbilds, dass die ETH-​Forschenden mit Strukturfarben 3D-​gedruckt haben. Das Bild ist 3,5 mal 5 Millimeter gross.
Vergrösserung eines Miniaturbilds, dass die ETH-​Forschenden mit Strukturfarben 3D-​gedruckt haben. Das Bild ist 3,5 mal 5 Millimeter gross.
(Bild: Cao et al. Advanced Materials 2022)

Auch eine großflächige Herstellung von Nanostrukturen sei denkbar, sagen die Forscher. Würde man mittels 3D-Druck eine Negativstruktur als Vorlage herstellen, ließe sich damit eine große Anzahl von Abdrucken herstellen. Somit könnte sich das Prinzip für die Produktion von hochauflösenden Farbbildschirmen eignen – etwa von dünnen biegbaren Bildschirmen. Und schließlich könnten laut den Wissenschaftlern die heute verwendeten Farbpigmente in Druck- oder Malfarben durch solche Strukturfarben ersetzt werden. Strukturfarben haben gegenüber Pigmentfarben schließlich einige Vorteile: Sie sind langlebig, weil sie bei Lichteinstrahlung nicht ausbleichen, und außerdem haben sie in den meisten Fällen eine bessere Umweltbilanz.

Originalpublikation: Cao X, Du Y, Guo Y, Hu G, Zhang M, Wang L, Zhou J, Gao Q, Fischer P, Wang J, Stavrakis S, deMello A: Replicating the Cynandra opis Butterfly's Structural Color for Bioinspired Bigrating Color Filters, Advanced Materials, 4. Januar 2022, DOI: 10.1002/adma.202109161call_made

Dieser Beitrag ist ursprünglicha uf unserem Partnerportal Laborpraxis erschienen.

* Dr. F. Bergamin, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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