Efekty kolorystyczne z przezroczystych drukowanych nanostruktur 3D

Anonim

Większość obiektów, które widzimy, jest zabarwiona pigmentami, ale stosowanie pigmentów ma wady: takie kolory mogą zanikać, pigmenty przemysłowe są często toksyczne, a pewnych efektów kolorystycznych nie da się osiągnąć. Świat przyrody wykazuje jednak również zabarwienie strukturalne, w którym mikrostruktura obiektu powoduje pojawianie się różnych kolorów. Na przykład pawie pióra są zabarwione na brązowo, ale - z powodu długich dziur w piórach - odbijają wspaniałe, opalizujące odcienie błękitu i zieleni, które widzimy i podziwiamy. Ostatnie postępy technologiczne sprawiły, że praktyczne jest wytwarzanie tego rodzaju nanostruktur, które powodują strukturalne zabarwienie, a naukowcy komputerowi z Instytutu Nauki i Technologii w Austrii (IST Austria) i Uniwersytetu Nauk Technicznych Króla Abdullaha (KAUST) stworzyli narzędzie obliczeniowe, które automatycznie tworzy trójwymiarowe szablony dla nanostruktur odpowiadające kolorom zdefiniowanym przez użytkownika. Ich praca wykazuje ogromny potencjał w zakresie strukturalnej kolorystyki w przemyśle i otwiera możliwości dla nie-ekspertów w tworzeniu własnych projektów. Projekt ten zostanie zaprezentowany podczas tegorocznej, najwyższej konferencji graficznej komputerowej SIGGRAPH 2018, autorstwa pierwszego autora i IST Austria, pod auspicjami Thomasa Auzingera.

Zmieniające się kolory kameleona i opalizujący błękit i zieleń motyla morpho, między innymi w naturze, są wynikiem barwy strukturalnej, w której nanostruktury wywołują efekty interferencyjne w świetle, co powoduje różnorodność kolorów podczas oglądania makroskopowo. Strukturalne zabarwienie ma pewne zalety w stosunku do barwienia pigmentami (gdzie pochłaniają się określone długości fal), ale do niedawna ograniczenia technologii oznaczały wytwarzanie takich nanostruktur wymagały wysoce wyspecjalizowanych metod. Nowe konfiguracje "bezpośredniego zapisu laserowego" kosztują tyle samo, co wysokiej jakości przemysłowa drukarka 3-D, i pozwalają na drukowanie w skali setek nanometrów (100 - 1000 razy cieńszych niż ludzki włos), stwarzanie naukowcom możliwości eksperymentowania z barwieniem strukturalnym.

Dotychczas naukowcy eksperymentowali przede wszystkim z nanostrukturami, które zaobserwowali w przyrodzie, lub z prostymi, regularnymi projektami nanostrukturalnymi (np. Rząd za rzędem słupów). Thomas Auzinger i Bernd Bickel z IST Austria, wraz z Wolfgangiem Heidrichem z KAUST, przyjęli jednak nowe, innowacyjne podejście, które różni się na kilka kluczowych sposobów. Po pierwsze, rozwiązują odwrócone zadanie projektowe: użytkownik wprowadza kolor, który chce replikować, a następnie komputer tworzy wzór nanostruktury, który nadaje ten kolor, zamiast próbować odtworzyć struktury znajdujące się w naturze. Co więcej, "nasze narzędzie do projektowania jest całkowicie zautomatyzowane" - mówi Thomas Auzinger. "Nie wymaga dodatkowego wysiłku ze strony użytkownika."

Po drugie, nanostruktury w szablonie nie mają określonego wzorca lub mają regularną strukturę; wydają się być losowo złożone - radykalne odejście od poprzednich metod, ale ma wiele zalet. "Gdy patrzę na szablon utworzony przez komputer, nie mogę stwierdzić przez samą strukturę, jeśli zobaczę wzór dla niebieskiego, czerwonego lub zielonego" - wyjaśnia Auzinger. "Oznacza to, że komputer znajduje rozwiązania, których my, jako ludzie, nie mogliśmy osiągnąć. Ta struktura swobodna ma ogromną moc: pozwala na większą elastyczność i otwiera możliwości dodatkowych efektów kolorystycznych". Na przykład, ich narzędzie do projektowania może być użyte do drukowania kwadratu, który wydaje się czerwony pod jednym kątem, a niebieski od drugiego (znany jako kolorowanie kierunkowe).

Wreszcie, wcześniejsze próby potknęły się również o faktyczne wykonanie: projekty często nie dały się wydrukować. Nowe narzędzie do projektowania gwarantuje jednak, że użytkownik otrzyma szablon do druku, co czyni go niezwykle przydatnym do przyszłego rozwoju barwienia strukturalnego w przemyśle. "Narzędzie do projektowania można wykorzystać do prototypowania nowych kolorów i innych narzędzi, a także do znalezienia interesujących struktur, które można by produkować przemysłowo" - dodaje Auzinger. Wstępne testy narzędzia do projektowania dały już pozytywne rezultaty. "To niesamowite, że coś, co składa się z czystych materiałów, wydaje się kolorowe, po prostu ze względu na niewidoczne dla ludzkiego oka struktury" - mówi Bernd Bickel, profesor IST Austria. "Chcemy eksperymentować z dodatkowymi materiałami, aby rozszerzyć zakres efektów, które możemy osiągnąć."

"Szczególnie ekscytujące jest obserwowanie rosnącej roli narzędzi obliczeniowych w produkcji", podsumowuje Auzinger, "a jeszcze bardziej ekscytujące jest to, że ekspansja" grafiki komputerowej "obejmuje zarówno fizyczne, jak i wirtualne obrazy."

menu
menu