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(Foco Nanowerk) Desde los vibrantes azules y verdes de las plumas de pavo real hasta los brillantes rojos de los cristales de rubí, los colores estructurales de la naturaleza brindan algunas de las exhibiciones más deslumbrantes para deleitar nuestros ojos. A diferencia de los pigmentos, que absorben longitudes de onda específicas para crear color, el color estructural se crea mediante la interacción física de la luz con características a nanoescala de un material. Esto hace que estos materiales «fotónicos» sean más sostenibles, más resistentes a la lejía y permite una sintonización dinámica. Sin embargo, darles forma de complejas geometrías 3D sigue siendo un desafío constante.
La impresión 3D ha demostrado ser un enfoque eficaz para producir cristales fotónicos: materiales con nanoestructuras periódicas que controlan la propagación de la luz mediante la creación de bandas fotónicas prohibidas. Pero los cristales fotónicos se basan en un orden de largo alcance y podrían limitarse a formas más simples mediante la impresión.
Ahora, investigadores de ETH Zurich han utilizado la impresión 3D con procesamiento digital de luz (DLP) para producir vidrios coloides fotónicos estructuralmente coloreados con geometrías complejas y propiedades de color personalizadas.
Su trabajo, publicado en Materiales avanzados (“Impresión 3D basada en luz de gafas coloidales fotónicas de forma compleja”) muestra cómo la combinación de materiales diseñados racionalmente y fabricación aditiva puede ampliar el espacio de diseño para dispositivos fotónicos.
Los investigadores se centraron en los vidrios fotónicos, una clase de materiales fotónicos desordenados que contienen nanopartículas de tamaño controlado que interactúan con la luz para producir un color estructural sostenible y no iridiscente que se puede sintonizar en todo el espectro visible. La combinación de orden a corta distancia y desorden a distancia da como resultado un color estructural vibrante y no iridiscente.
Para crear dichos materiales, el equipo comenzó con una resina hecha a medida que contenía monómeros reticulables, fotoiniciadores y nanopartículas de sílice. Utilizando una impresora 3D DLP disponible comercialmente, solidificaron esta resina líquida en objetos 3D endureciéndola capa por capa mediante proyección de luz.
Luego vino el paso crucial: el calentamiento a alta temperatura hasta 400 °C transformó la matriz polimérica impresa en un material similar al vidrio con el orden estructural deseado. El equipo demostró que podían controlar el color del material final ajustando el tamaño de las nanopartículas de sílice a 200, 350 y 300 nm para obtener tonos azules, verdes o rojos, respectivamente.
Los análisis detallados de espectroscopía y microscopía electrónica revelaron que el color observado se debe a la dispersión selectiva de la luz por parte de las nanopartículas ordenadas localmente pero desordenadas globalmente. La comparación de las longitudes de onda máximas reflejadas con las predicciones teóricas confirmó este mecanismo.
Un problema que el equipo tuvo que controlar cuidadosamente fue evitar múltiples dispersiones, que destruirían la pureza del color. Lo lograron mediante protocolos de calcinación que dejaron una cantidad ideal de residuo de carbono: suficiente para limitar la profundidad de penetración, pero no demasiado para permitir la reflexión en la superficie.
Equipados con la capacidad de dictar colores y formas, los investigadores imprimieron complejas arquitecturas 3D a escala de centímetros. Se demostraron rejillas multimaterial con áreas definidas con precisión en rojo, verde y azul. Al modular espacialmente las geometrías del andamio, se codificaron variaciones de color graduadas en portadores de octetos 3D durante el mismo paso de pirólisis. Para resaltar la libertad de diseño de la impresión 3D, el equipo también creó réplicas fotónicas de artefactos culturales.
Los resultados demuestran que la fabricación aditiva basada en DLP es un camino prometedor para el desarrollo de componentes fotónicos de formas complejas. El acceso a colores estructurales complejos y no iridiscentes puede beneficiar las aplicaciones de detección colorimétrica, antifalsificación, visualizaciones y camuflaje. Desde la perspectiva de los materiales, la técnica basada en la calcinación ofrece una formación de color sostenible únicamente mediante el uso de dióxido de silicio y carbono.
Ampliar el rango visible actual a UV o infrarrojo podría permitir aplicaciones adicionales en espectroscopia, imágenes e interacción hombre-máquina. Al combinar el diseño racional y la fabricación avanzada, este estudio destaca el potencial futuro de la fabricación aditiva para dispositivos fotónicos estructuralmente complejos.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
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