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Strukturfärbung

Farben mit Nanostruktur einfach 3D-drucken

| Redakteur: Stéphane Itasse

Licht trifft von unten auf die 3D-gedruckten Nanostrukturen. Bei der Reflexion sieht man nur noch grünes Licht, die restlichen Farben werden abgelenkt.
Licht trifft von unten auf die 3D-gedruckten Nanostrukturen. Bei der Reflexion sieht man nur noch grünes Licht, die restlichen Farben werden abgelenkt. (Bild: IST Austria)

Erzeugt man Farben mit Nanostrukturen statt Pigmenten, verblassen diese Farben nicht. Computerwissenschaftler vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) und von der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) aus Saudi-Arabien haben jetzt eine Software entwickelt, die 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen erstellt, die zur Erzeugung der gewünschten Farben nötig sind.

Ihre Ergebnisse zeigen das große Potenzial der Strukturfärbung für die Industrie und eröffnen auch Laien die Möglichkeit, eigene Designs zu entwerfen, wie das österreichische Forschungsinstitut mitteilt. Bis vor Kurzem war die Herstellung der Nanostrukturen limitiert und nur durch hoch spezialisierte Methoden möglich. Neue Verfahren wie Direct-Laser-Writing ermöglichen jetzt das Drucken im Bereich einiger Hundert Nanometer. Dabei sind die Beschaffungskosten vergleichbar mit denen eines industriellen 3D-Druckers.

Neuer Ansatz für Farbstrukturen entwickelt

Thomas Auzinger und Bernd Bickel vom IST Austria haben nun zusammen mit Wolfgang Heidrich vom KAUST einen neuen Ansatz gewählt. Statt die in der Natur vorkommenden Strukturen zu reproduzieren, drehen sie die Frage um und lösen die sogenannte inverse Problemstellung: Der Benutzer gibt die gewünschte Farbe ein, und darauf basierend erzeugt der Computer das Nanostrukturmuster, das diese Farbe erzeugt. „Unser Designtool ist außerdem komplett automatisch", sagt Thomas Auzinger, Erstautor und Postdoc am IST Austria. „Von Seiten des Benutzers ist kein zusätzlicher Aufwand erforderlich."

Der zweite wesentliche Unterschied zu bisherigen Verfahren besteht darin, dass die Nanostrukturen der Druckanleitung keinem bestimmten Muster folgen und keine regelmäßige Struktur haben. Sie scheinen zufällig zusammengesetzt zu sein, was eine radikale Abkehr von früheren Methoden darstellt und viele Vorteile bringt. „Wenn man die Vorlage ansieht, die der Computer erzeugt, kann man an der Struktur nicht erkennen, ob es ein Muster für blau oder rot oder grün ist", erläutert Auzinger. „Das bedeutet, der Computer findet Lösungen, die wir als Menschen nie gefunden hätten. Diese Freiformstruktur ermöglicht eine größere Flexibilität und eröffnet Möglichkeiten für zusätzliche Farbeffekte." Mit dem Designtool kann man auch richtungsabhängige Farbeffekte erzeugen, beispielsweise ein Quadrat, das aus einem bestimmten Winkel rot und aus einem anderem blau erscheint.

Designtool eröffnet viele neue Möglichkeiten

Zudem sind frühere Bemühungen auch bei der Herstellung ins Stocken geraten: Die Entwürfe waren oft nicht druckbar. Das neue Designtool garantiert jedoch, dass der Benutzer eine druckbare Vorlage erhält, was die Methode für den Einsatz in der Industrie äußerst nützlich macht. „Mit dem Designtool können neue Farben und andere Werkzeuge prototypisiert und interessante Strukturen gefunden werden, die industriell herstellbar sind", ergänzt Auzinger. Erste Tests des Designtools haben bereits zu erfolgreichen Ergebnissen geführt. „Es ist faszinierend, dass etwas, das ganz aus klaren Materialien besteht, farbig erscheint, nur aufgrund von Strukturen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind", sagt Bernd Bickel, Professor am IST Austria, „wir freuen uns schon darauf, mit weiteren Materialien zu experimentieren und das Portfolio an Effekten, die wir erreichen können, noch zu erweitern."

„Ich finde es besonders aufregend zu sehen, dass computergestützten Tools eine immer wichtigere Rolle in der Fertigung spielen", fügt Auzinger hinzu, „und es ist noch spannender, die Ausweitung des Begriffs der Computergrafik auf physische und nicht nur virtuellen Bildern zu beobachten."

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