As cores no mundo ao nosso redor são produzidas por absorção de luz por moléculas (cores pigmentares) ou dispersão de luz por nanoestruturas (cores estruturais). A natureza fornece muitos exemplos espetaculares de cores estruturais – as cores brilhantes de algumas borboletas, besouros, peixes ou pássaros (pense em pavões) são devidas a nanoestruturas que fazem com que as ondas de luz refletidas se sobreponham. A coloração estrutural ocorre em superfícies com uma nanoestrutura com dimensões semelhantes às do comprimento de onda da luz incidente (tipicamente abaixo de um mícron). Essas nanoestruturas ordenadas são conhecidas como cristais fotônicos.
As cores que respondem a estímulos são uma característica única de certos animais, evoluídas como um método para se esconder de inimigos e presas ou para comunicar sua presença a rivais ou companheiros. Os camaleões, por exemplo, têm a notável capacidade de exibir mudanças de cor complexas e rápidas. Os pesquisadores descobriram que as mudanças de cor ocorrem através do ajuste ativo de uma rede de nanocristais presentes em uma camada superficial de células dérmicas chamadas iridóforos. Descobriu-se que outras cores estruturais na natureza respondem a produtos químicos ou à umidade.

Do ponto de vista da ciência dos materiais, as soluções desenvolvidas pela natureza para alcançar esses efeitos têm sido fonte de inspiração para os cientistas há décadas. Um exemplo recente é a impressão 3D com materiais responsivos a estímulos, chamada de impressão 4D. A impressão 4D permite que as estruturas impressas em 3D mudem suas configurações ao longo do tempo e é usada em uma ampla variedade de campos, como robótica leve, eletrônica flexível e dispositivos médicos.

Estender a impressão 4D para tintas estruturalmente coloridas tem sido o objetivo do grupo de Materiais e Dispositivos Funcionais responsivos a estímulos da Universidade de Tecnologia de Eindhoven. Vendo a falta de materiais 4D visivelmente coloridos, a equipe decidiu projetar um. Como resultado, eles relatam em Materiais Funcionais Avançados ("Direct Ink Writing of 4D Structural Colors") o desenvolvimento de uma tinta de cristal líquido colestérica responsiva à água e o procedimento de escrita direta a tinta (DIW) que o acompanha. Como os pesquisadores demonstram em seu artigo, após a impressão 3D, a tinta oligômero de cristal líquido colestérico sensível à umidade forma uma fase colestérica com reflexo visível e colorido e, após reticulação e ativação, altera reversivelmente o volume e a cor refletida com base no estado de hidratação.

"Esta é a primeira demonstração de uma tinta de mudança de cor responsiva à umidade para impressão 3D por extrusão", disse Michael G. Debije, professor assistente da TU Eindhoven, à Nanowerk. "Agora podemos produzir projetos de dispositivos de detecção auxiliados por computador com um sinal visual marcado - uma mudança dramática de cor de reflexão - em direção ao usuário."

“Desenvolvemos uma tinta fotônica especial para impressão 3D desde o início, começando com uma seleção cuidadosa dos blocos de construção molecular que nos dão a responsividade à água e a aparência colorida”, explica Jeroen Sol, o primeiro autor do artigo. "A cor vem do que é chamado de 'cristal líquido colestérico', uma ordem de empilhamento molecular específica que interage seletivamente com cores específicas da luz visível".

Em trabalhos anteriores (“Anisotropic Iridescence and Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral Photonic Polymer”), os pesquisadores já demonstraram a possibilidade de imprimir objetos coloridos colestéricos usando impressão 3D por microextrusão. Neste presente trabalho, eles adicionaram uma função há muito conhecida dos polímeros líquidos cristalinos:um estímulo-resposta autônomo. “Prevemos que este trabalho formará a base para dispositivos de detecção ópticos impressos em 3D, mas também servirá como base para o desenvolvimento de outras tintas de impressão 3D responsivas”, observa Sol.

A equipe usou dois dispositivos para destacar o potencial das tintas colestéricas responsivas a DIW:um elemento de mudança de cor impresso em 4D em objetos impressos em 3D e um objeto totalmente colorido em forma de impressão em 4D, estruturalmente colorido.

Como foi demonstrado para materiais poliméricos fotônicos no passado, a extensão de sua resposta à água pode ser tipicamente programada usando outras espécies químicas que influenciam o grau de polaridade. Estes podem ser íons, ou pequenas moléculas bioativas, por exemplo. Como este trabalho demonstra, pode ser possível no futuro projetar sensores sem bateria imprimíveis em 3D que visem biomarcadores importantes ou imbuir sensibilidade a íons de metais pesados ​​que contaminam fontes de água.

Por enquanto, a equipe está trabalhando no projeto de tintas de impressão 3D com outros tipos de estímulos-resposta, como resposta a mudanças nas condições de luz e, eventualmente, a integração de várias tintas 4D diferentes em dispositivos únicos que se tornam multifuncionais. “Idealmente, ao incluir elementos responsivos nesses polímeros, podemos criar materiais que possam sentir e responder ao seu ambiente, talvez até permitindo a comunicação entre dispositivos individuais, bem como gerar um nível de autonomia para uma coleção de unidades individuais”, conclui Debije. . + Explorar mais

Impressão 3D com cores brilhantes usando cristais líquidos