Brouk z tiskárny mění barvu, lastura se otevírá  
O 4D tisku, který si razí cestu k nám, spotřebitelům

Oba - indonéský tesařík druhu Tmesisternus isabellae i jeho 4D model mění při vysoké vlhkosti prostředí barvu  Kredit: Sol, J. A. H. P. et al. Adv. Funct. Materials, 2022, a Wang, Hui ezt al. Sensors (Basel, Switzerland). 13. 4192-213. (2013). CC 3.0; upraveno
Oba - indonéský tesařík druhu Tmesisternus isabellae i jeho 4D model mění při vysoké vlhkosti prostředí barvu Kredit: Sol, J. A. H. P. et al. Adv. Funct. Materials, 2022, a Wang, Hui ezt al. Sensors (Basel, Switzerland). 13. 4192-213. (2013). CC 3.0; upraveno

Když sledujete, co nového v oblasti vědy a technologií, jistě víte, že kromě  doslova udomácněného 3D tisku se do povědomí veřejnosti vkrádá i 4D tisk. Odborníci se ním zabývají již několik let. Samozřejmě, že v našem reálném světě čtvrtou dimenzí může být jen čas a změny, které v již vytištěném 3D tvaru probíhají. Mohou být vyvolané různými vnějšími stimuly – mechanicky, teplem, světlem či vlhkostí. A můžou být trvalé nebo vratné.

 

Před krátkým časem časopis Advanced Functional Materials zveřejnil článek čtyř nizozemských vědců z Katedry chemického inženýrství a chemie Technické univerzity v Eindhovenu. Zabývají se výzkumem funkčních materiálů a zařízení, které reagují na podněty (Stimuli-Responsive Functional Materials and Devices).


Cholesterický (nebo zkroucený nematický) kapalný krystal je chirální. Molekuly jsou v každé vrstvě paralelně orientovány a tento směr se mezi vrstvami postupně stáčí až se molekuly vrátí do původní orientace  Kredit: University of Cambridge CC 2.0, upraveno
Cholesterický (nebo zkroucený nematický) kapalný krystal je chirální. Molekuly jsou v každé vrstvě paralelně orientovány a tento směr se mezi vrstvami postupně stáčí, až se molekuly vrátí do původní orientace Kredit: University of Cambridge CC 2.0, upraveno

Bádání Holanďanů připomíná sofistikované kreativně hravé tvoření pomocí 3D tiskárny a speciálních inkoustů. Inspirovaní přírodou vytvořili modely, které reagují na změnu vlhkosti. Příkladem je umělý „brouk“, který podle živého vzoru – indonéského druhu Tmesisternus isabellae z čeledě tesaříkovití - mění vlivem vlhka barvu z metalicky zlato-zelené na červenou. Ve skutečnosti povrch krovek neobsahuje žádné barvivo. Stejně jako u pavích per, zářivě zbarvených krovek jiných brouků nebo křídel motýlů, jde o takzvané strukturální zbarvení (doporučený článek na toto téma zde). Vlnové délky světla, které pak v našem zrakovém centru vytvářejí barevný vjem, jsou výsledkem absorpce a interference vln odražených od specificky strukturované povrchové vrstvy bez pigmentu nebo s obsahem tmavého melanoproteinu – melaninu navázaného na bílkovinu.

 

Co u T. isabellae způsobuje změnu barvy působením molekul vody? Tajemství zlatavého zbarvení a jeho změn je ukryto v hustých dlouhých mikrošupinkách na povrchu krovek. Šupinky tvoří dvě na sebe vázané vrstvy, z níž jedna je téměř homogenní melanoproteinová, zatímco druhou tvoří melanoproteinové nanočástice střídající se se vzduchovými mikrodutinkami. Díky hydrofilním vlastnostem šupinek celá vrstevnatá struktura ve vlhku nabobtná, do vzduchových dutinek proniknou molekuly vody, což pozmění optické vlastnosti povrchu. Podobnou, i když méně výraznou změnu můžeme pozorovat u brouka Hoplia coerulea, který je příbuzný našim zlatohlávkům, ale na rozdíl od jejich zářivě zelených má krásné, metalicky modré krovky, vlhkem se měnící na smaragdově zelenou. I hřbetní peří amerických vlaštovek stromových (Tachycineta bicolor) za sucha kovově modré má v dešti jiný odlesk.

 

V jižní Evropě žijící brouk Hoplia coerulea se podobá našemu zářivě zeleně zbarvenému zlatohlávku zlatému. H. coerulea však ve vlhku mění barvu na smaragdově zelenou  Kredit: Frank.Vassen, Wikipedia CC 2.0 / Sol, J. A. H. P. et al. Adv. Funct. Materials, 2022
V jižní Evropě žijící  modrý brouk Hoplia coerulea se podobá našemu zářivě zeleně zbarvenému zlatohlávku zlatému. H. coerulea však ve vlhku mění barvu na smaragdově zelenou Kredit: Frank.Vassen, Wikipedia CC 2.0

Touto zajímavou vlastností se nyní může honosit i umělý brouk zrozený v 3D tiskárně Technické univerzity v Eindhovenu. Na hřbetu má totiž nanesený speciální inkoust s obsahem cholesterických kapalných krystalů (ChLC – Cholesteric Liquid Crystals). Jsou specifickou podskupinou kapalných krystalů, které dokážou téct jako kapalina, ale v jejich struktuře se vytvářejí domény s paralelní orientací molekul obdobně jako v pevných krystalech. Pro pochopení, jaké vnitřní molekulární uspořádání mají cholesterické kapalné krystaly, zkuste si představit, že ukládáte na sebe jednotlivé kusy pruhované látky tak, že každý vůči tomu předcházejícímu o stejný uhel pootočíte. Směr pruhů se pak bude opakovat s určitou periodou a ve vertikálním směru bude vytvářet šroubovicový vzor. Podobně ChLC tvoří tenké vrstvičky s tloušťkou kolem 0,3 nm, což je 3 desetimiliontiny milimetru a v každé z nich jsou podélné molekuly uspořádány paralelně. A každá tato nanovrstva je vzhledem k té předcházející pootočena obdobně, jako kusy pruhované látky v myšlenkové úvaze. Tloušťka „souvrství“, v němž je dokončena plná rotace, se nazývá rozteč a určuje vlnovou délku světla, které struktura cholesterických kapalných krystalů odráží. Jednou z klíčových vlastností ChLC jsou jejich reverzibilní změny optických vlastností vyvolané vlhkostí, případně určitými chemikáliemi nebo mechanickou sílou.


Příkladem je i inkoust obsahující cholesterické kapalné krystaly v nejsvrchnější tištěné vrstvě brouka z 3D tiskárny. Když ji vědci ošetřili kyselinou chlorovodíkovou, stala se hygroskopickou. Dokáže tedy nasáknout vlhkost a nabobtnat. Tím se také zvýší zmíněná rozteč (výška jednoho závitu spirály) a zvětší vlnová délka odraženého světla – posune se k červenému konci spektra. Po vyschnutí se vše vrátí zpět a umělý brouček je opět zlatozelený.


Spodní a vrchní lastura hřebenatky svatojakubské (Pecten jacobaeus) a schéma tišteného modelu. Kredit: Weitbrecht, Wikipedia CC 3.0
Spodní a vrchní lastura hřebenatky svatojakubské (Pecten jacobaeus) a schéma tišteného modelu. Kredit: Weitbrecht, Wikipedia CC 3.0,  / Sol, J. A. H. P. et al. Adv. Funct. Materials, 2022

Kromě této barevné změny vědci využili cholesterické kapalné krystaly i k demonstraci 4D tisku, kdy se v čase může reverzibilně měnit tvar. Za vzor si zvolili lasturu mořské hřebenatky svatojakubské (Pecten jacobaeus). Obě části – spodní a vrchní vějířovitou skořepinu spojili krátkým obdélníkovým můstkem, aby se mohly otevírat a zavírat. Tisk probíhal ve dvou fázích, každá za mírně odlišných podmínek. Výzkumníci nejdřív vytvořili vnější, světlo rozptylující vrstvu hřebenatky, na ní pak vytiskli vnitřní irizující, anizotropně reflexní vrstvu, aby tak připomínala perleťový povrch skutečných lastur. Na závěr vnější povrch spojovacího můstku ošetřili kyselinou chlorovodíkovou, a tím mu, podobně jako barevnému povrchu brouka, dodali hygroskopické vlastnosti. Když vlivem vlhkosti jen tato vnější vrstva spoje nabobtná, zatímco ta vnitřní svůj objem nezmění, spojovací můstek se ohne a lasturu zavře. Při schnutí se opět začne otevírat. Nakonec podobný princip, jen u jiného materiálu, známe všichni již od dětství, protože díky rozdílnému nabobtnávání vnějších a vnitřních dřevitých pletiv se otevírají a zavírají šišky jehličnanů.

 

Poznámka: Na konci článku v Advanced Functional Materials jsou v odkazu Supporting information k dispozici 4 krátká videa dokumentující tisk a vlastnosti výsledného modelu barvu měnícího brouka a zavírající se lastury hřebenatky.

 

Video: Stručně a jednoduše o tekutých krystalech Kredit: Kent State University's Liquid Crystal Institute


Literatura: Advanced Functional Materials (volně dostupný článek), Physics World

Datum: 02.08.2022
Tisk článku

Související články:

Duhový povrch podle křídel motýlů     Autor: Dagmar Gregorová (31.05.2010)



Diskuze:

Omnis ars

Tomáš Novák,2022-08-02 08:58:28

...imitatio naturae est!

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace