Los colores en el mundo que nos rodea se producen mediante la absorción de luz por moléculas (colores pigmentarios) o la dispersión de luz por nanoestructuras (colores estructurales). La naturaleza proporciona muchos ejemplos espectaculares de colores estructurales:los colores brillantes de algunas mariposas, escarabajos, peces o pájaros (piense en pavos reales) se deben a nanoestructuras que hacen que las ondas de luz reflejadas se superpongan. La coloración estructural ocurre en superficies con una nanoestructura con dimensiones similares a las de la longitud de onda de la luz incidente (típicamente por debajo de una micra). Estas nanoestructuras ordenadas se conocen como cristales fotónicos.

Los colores que responden a estímulos son una característica única de ciertos animales, evolucionados como un método para esconderse de enemigos y presas o para comunicar su presencia a rivales o compañeros. Los camaleones, por ejemplo, tienen la notable capacidad de exhibir cambios de color complejos y rápidos. Los investigadores descubrieron que los cambios de color se producen mediante la sintonización activa de una red de nanocristales presentes en una capa superficial de células dérmicas llamadas iridóforos. Se ha descubierto que otros colores estructurales en la naturaleza responden a los productos químicos o a la humedad.

Desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, las soluciones desarrolladas por la naturaleza para lograr estos efectos han sido una fuente de inspiración para los científicos durante décadas. Un ejemplo reciente es la impresión 3D con materiales que responden a estímulos, llamada impresión 4D. La impresión 4D permite que las estructuras impresas en 3D cambien sus configuraciones con el tiempo y se utiliza en una amplia variedad de campos, como la robótica blanda, la electrónica flexible y los dispositivos médicos.

Extender la impresión 4D a tintas coloreadas estructuralmente ha sido el objetivo del grupo de Dispositivos y materiales funcionales sensibles a estímulos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven. Al ver la falta de materiales 4D visiblemente coloreados, el equipo se dispuso a diseñar uno. Como resultado, informan en Materiales funcionales avanzados ("Escritura de tinta directa de colores estructurales 4D") el desarrollo de una tinta de cristal líquido colestérico sensible al agua y el procedimiento de escritura de tinta directa (DIW) que la acompaña. Como demuestran los investigadores en su artículo, después de la impresión 3D, la tinta de oligómero de cristal líquido colestérico sensible a la humedad forma una fase colestérica con un reflejo coloreado visible y, después de la reticulación y la activación, cambia de forma reversible el volumen y el color reflejado en función del estado de hidratación.

"Esta es la primera demostración de una tinta que cambia de color sensible a la humedad para la impresión 3D por extrusión", le dice a Nanowerk Michael G. Debije, profesor asistente en TU Eindhoven. "Ahora podemos producir diseños asistidos por computadora de dispositivos de detección con una señal visual marcada, un cambio dramático de color de reflexión, hacia el usuario".

"Diseñamos una tinta fotónica especial para la impresión 3D desde cero, comenzando con una cuidadosa selección de los bloques de construcción moleculares que nos dan la capacidad de respuesta al agua y la apariencia coloreada", explica Jeroen Sol, el primer autor del artículo. "El color proviene de lo que se llama un 'cristal líquido colestérico', un orden de apilamiento molecular específico que interactúa selectivamente con colores específicos de la luz visible".

En un trabajo anterior ("Iridiscencia anisotrópica y patrones de polarización en un polímero fotónico quiral escrito con tinta directa"), los investigadores ya demostraron la posibilidad de imprimir objetos coloreados colestéricos mediante la impresión 3D por microextrusión. En este trabajo actual, han agregado una función conocida desde hace mucho tiempo de los polímeros cristalinos líquidos:un estímulo-respuesta autónomo. "Prevemos que este trabajo formará la base para los dispositivos de detección óptica impresos en 3D, pero también servirá como base para el desarrollo de otras tintas de impresión 3D receptivas", señala Sol.

El equipo usó dos dispositivos para resaltar el potencial de las tintas colestéricas sensibles a DIW:un elemento de cambio de color impreso en 4D en objetos impresos en 3D y un objeto estructuralmente coloreado, que cambia de forma y está totalmente impreso en 4D.

Como se ha demostrado en el pasado con los materiales poliméricos fotónicos, el alcance de su respuesta al agua se puede programar normalmente utilizando otras especies químicas que influyen en el grado de polaridad. Estos pueden ser iones o pequeñas moléculas bioactivas, por ejemplo. Como demuestra este trabajo, podría ser posible en el futuro diseñar sensores sin batería imprimibles en 3D que se dirijan a biomarcadores importantes o imbuyan sensibilidad a los iones de metales pesados ​​que contaminan las fuentes de agua.

Por ahora, el equipo está trabajando en el diseño de tintas de impresión 3D con otros tipos de estímulos-respuestas, como la respuesta a condiciones de luz cambiantes y, finalmente, la integración de múltiples tintas 4D diferentes en dispositivos únicos que se vuelven multifuncionales. "Idealmente, al incluir elementos sensibles en estos polímeros, podemos crear materiales que puedan sentir y responder a su entorno, tal vez incluso permitiendo la comunicación entre dispositivos individuales para generar un nivel de autonomía para una colección de unidades individuales", concluye Debije. . + Explora más

Impresión 3D de colores brillantes con cristales líquidos