Väritehosteet läpinäkyvistä 3D-painetuista nanorakenteista

Anonim

Suurin osa esineistä on värjätty pigmentteillä, mutta pigmenttien käytöllä on haittoja: tällaiset värit voivat haalistua, teolliset pigmentit ovat usein myrkyllisiä ja tiettyjä väriefektit ovat mahdottomia saavuttaa. Luonnollisella maailmalla on kuitenkin myös rakenteellinen väritys, jossa kohteen mikrorakenne aiheuttaa erilaisia ​​värejä. Esimerkiksi riikinkukon höyhenet ovat pigmentoituneita ruskeita, mutta höyhenien pitkien syvennysten ansiosta heijastavat upeita, värikkäitä sinisiä ja vihreitä, joita näemme ja ihailen. Viimeaikainen tekniikan kehitys on tehnyt käytännöllistä valmistaa rakenteellisia väriaineita aiheuttavia nanorakenteita, ja tietotekniikan tutkijat Itävallan tiede ja teknologiasta (IST Austria) ja King Abdullahin tiede- ja teknologiakeskuksesta (KAUST) ovat nyt luoneet laskentatyökalu, joka luo automaattisesti 3-D-tulostusmallit nanorakenteille, jotka vastaavat käyttäjän määrittämiä värejä. Heidän työnsä osoittaa suurta mahdollisuutta rakenteelliseen värjäämiseen teollisuudessa ja mahdollistaa muille kuin asiantuntijoille mahdollisuuden luoda omia mallejaan. Tämä projekti esitellään tämän vuoden huippusuoriteatterikokouksessa, SIGGRAPH 2018, ensimmäisen tekijän ja IST Austria postdoc Thomas Auzingerin johdolla.

Kameleontin vaihtelevat värit ja morpho butterfly -vihreät siniset ja vihreät monien muiden luonnossa ovat seurausta rakenteellisesta värisävystä, jossa nanorakenteet aiheuttavat häiriövaikutuksia valossa, mikä johtaa erilaisiin väreihin makroskooppisesti tarkasteltuna. Rakenteellisella värjäyksellä on tiettyjä etuja pigmenttien värjäämisessä (joissa tiettyjä aallonpituuksia imeytyy), mutta vasta äskettäin teknologian rajat tarkoittavat tällaisten nanorakenteiden valmistusta edellyttävät erittäin erikoistuneita menetelmiä. Uudet "suorat laserkirjoitustyöt" ovat kuitenkin kustannuksia yhtä paljon kuin korkealaatuiset 3-D-tulostimet ja mahdollistavat tulostamisen satoja nanometrejä (100 - 1000 kertaa ohuempia kuin ihmisen hiukset). tutkijoiden mahdollisuuksia kokeilla rakenteellisia väriaineita.

Tähän mennessä tutkijat ovat pääasiassa kokeillut nanorakenteita, joita he olivat havainneet luonnossa tai yksinkertaisia, säännöllisiä nanorakenteita (esim. Rivi pylväiden riviä kohti). Thomas Auzinger ja Bernd Bickel IST: n Itävallasta yhdessä KAUSTIN Wolfgang Heidrichin kanssa otti innovatiivisen uuden lähestymistavan, joka eroaa useilla keskeisillä tavoilla. Ensinnäkin ne ratkaise käänteisen suunnittelutehtävän: käyttäjä syöttää värin, jonka he haluavat kopioida, ja sitten tietokone luo nanorakenteen kuvion, joka antaa kyseisen värin sen sijaan, että yritettäisiin tuottaa luonnossa olevia rakenteita. Lisäksi "suunnittelutyökalu on täysin automaattinen", sanoo Thomas Auzinger. "Käyttäjältä ei tarvita lisätoimia."

Toiseksi mallin nanorakenteet eivät noudata tiettyä mallia tai niillä on säännöllinen rakenne; ne näyttävät olevan satunnaisesti muodostettuja - radikaali tauko aiemmista menetelmistä, mutta joista on monia etuja. "Kun katsot tietokoneen tuottamia malleja, en voi kertoa rakenteen avulla yksin, jos näen kuvion sinistä tai punaista tai vihreää", Auzinger selittää. "Tämä tarkoittaa kuitenkin, että tietokone löytää sellaisia ​​ratkaisuja, joita me, kuten ihmisillä, ei pysty. Tämä vapaamuotoinen rakenne on erittäin voimakas: se mahdollistaa suuremman joustavuuden ja mahdollistaa lisävärjäystehosten mahdollisuuden." Esimerkiksi niiden suunnittelutyökalua voidaan käyttää tulostamaan neliö, joka näkyy punaisena yhdestä kulmasta, ja sinisestä toiselta (tunnetaan suuntaavana värinä).

Lopulta aikaisemmat ponnistelut ovat myös kompastuneet todellisen valmistuksen yhteydessä: malleja oli usein mahdotonta tulostaa. Uusi suunnittelutyökalu takaa kuitenkin, että käyttäjä päätyy tulostettavaan malliin, mikä tekee siitä erittäin hyödyllisen teollisuuden rakenteellisen väritason kehitykselle. "Suunnittelutyökalua voidaan käyttää uusien värejä ja muita työkaluja prototyyppeihin sekä löytää mielenkiintoisia rakenteita, jotka voitaisiin tuottaa teollisesti", lisää Auzinger. Suunnittelutyökalun alustavat testit ovat jo tuottaneet tuloksia. "On hämmästyttävää nähdä, että jotain, joka koostuu kokonaan selkeistä materiaaleista, on väriltään yksinkertaisesti ihmisilmästä näkymättömien rakenteiden takia", kertoo Bernd Bickel, IST: n Itävallan professori. "Haluamme kokeilla lisäaineistoja, jotta voisimme laajentaa vaikuttavuutta."

"On erityisen jännittävää todistaa laskennallisten työkalujen kasvanut rooli valmistusprosessissa", Auzinger toteaa, "ja vieläkin jännittävämpää nähdä" tietokonegrafiikan "laajentaminen käsittämään fyysiset ja virtuaalikuvat."

menu
menu