Schillernde Strukturfarben Gedruckte Farbwechsel für Sensoren, Fälschungsschutz und mehr

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3D-Drucker können schon einiges, nun drucken sie auch Farbwechsel-Materialien. Forscher von der Universität des Saarlandes haben dazu eine spezielle Art von Tinte entwickelt. Mit ihr lassen sich Objekte drucken, deren Farbe sich zum Beispiel durch Zugkraft verändert.

Blau-schwarz oder weiß-gold? Farbe kann durchaus unterschiedlich wahrgenommen werden, wie das Foto eines gestreiften Kleides 2015 bewies (Stichwort „Dressgate“). Was dort lediglich ein auf dem Foto festgehaltener Effekt von unzureichender Belichtung war, lässt sich in der Natur aber als tatsächliches optisches Phänomen finden. So schillern beispielsweise Schmetterlingsflügel oder bestimmte Minerale wie der Opal je nach Lichteinfall tatsächlich in verschiedenen Regenbogenfarben. Solche Strukturfarben verblassen nicht und sind ungiftig. Bisher konnten sie nur als dünner Film künstlich nachgeahmt werden. Die Chemiker Lukas Siegwardt und Prof. Markus Gallei von der Universität des Saarlandes haben nun ein Verfahren entwickelt, wie sie dreidimensionale komplexe Objekte drucken können, die brillante Strukturfarben zeigen.

Kernige Partikel ermöglichen den Farbwechsel

Im menschlichen Miteinander gilt „Harte Schale, weicher Kern“ als Gütezeichen für den menschlichen Charakter. Im Falle der Forschung von Gallei und Siegwardt hingegen verhält es sich genau andersherum. Der Professor für Polymerchemie und sein Doktorand haben „perfekte Partikel“ hergestellt, deren harter Kern von einer weichen Schale umgeben ist. „Perfekte Partikel“ bezeichnet in diesem Fall Teilchen, die allesamt identisch groß und geformt sind. Diese Ausgangsmaterialien, die in der Regel aus gängigen Materialien wie Polystyrol oder Ethylacrylaten bestehen, haben die beiden Wissenschaftler so verändert, dass sie sich auch im 3D-Drucker verarbeiten lassen.

Strukturfarben

Bunt schillernde Schokolade – ganz ohne Zusatzstoffe

Das war bisher nicht möglich. Seit 2001 können solche Farben zwar künstlich hergestellt werden, allerdings nur als sehr dünner Film, der Bruchteile eines Millimeters dick ist. „Dabei wird das Material mittels Industriepressen oder Folienwalzanlagen verarbeitet. Daraus wird dann ein buntes Material, das seine Farbe verändern kann“, erklärt Gallei. Um die Farbe zu verändern, kann man daran ziehen, Strom anlegen, die Temperatur verändern oder viele weitere Parameter beeinflussen. „Man kann das Material beliebig schalten“, sagt der Wissenschaftler. Solche Farben haben zwei große Vorteile: Sie sind zum einen völlig unschädlich im Gegensatz zu vielen anderen Farben. Und sie bleichen nicht aus. Nun sind 3D-Objekte aus solchen Materialien als vielfältig einsetzbare Sensoren für allerlei Messmethoden oder als Fälschungsschutz für Waren denkbar, um nur zwei Beispiele zu nennen. Man kann die Partikel so herstellen, dass sie jede denkbare Eigenschaft besitzen und ebenfalls leicht in Form zu bringen sind, wie die Forscher erklären.

Musterbildung im Objekt

Was die neuen Strukturfarben leisten, demonstriert Siegwardt in einem Experiment. Er zieht an den Enden eines ausgedruckten, etwa fünf Zentimeter langen Prüflings, sodass dieser gestreckt wird. Die vormals rote Farbe des Objekts verändert sich immer mehr ins Blaue, je mehr der Doktorand daran zieht (s. Bild oben). „Damit habe ich schon einen einfachen Sensor, der auf Zug- und Druckkräfte reagiert“, erklärt der junge Wissenschaftler.

Die Chemie hinter dem Farbwechsel-Effekt hat mit den eingangs erwähnten „perfekten Partikeln“ aus den Standard-Polymeren zu tun, die in Rohform als weißes, pudriges Pulver in die Industriepresse und nun auch in den 3D-Drucker kommen. „Diese Partikel ordnen sich während des Druckens in einem regelmäßigen Muster an, welche dann unterschiedliche Farben haben, je nachdem, wie die Abstände zwischen den Partikeln sind“, erklärt Gallei. Die weichen Schalen der einzelnen Partikel zerfließen zu einer fließfähigen Masse, welche die harten Kerne umgibt. Zieht man an einem Objekt, verändert man die Abstände zwischen den einzelnen Kern-Partikeln, und die Farbe ändert sich. Die harten, perfekten Partikel bewegen sich in dem weichen umgebenden Medium und ordnen sich zu einem neuen Muster an. „Man quetscht quasi den Honig zwischen den einzelnen Kügelchen raus“, vergleicht Gallei. So verändern sich die Partikelabstände und damit auch die Farbwiedergabe.

Hohe Anforderungen ans Material

Um ein solches Material auch für einen 3D-Druck aufzubereiten, war eine Menge Laborarbeit nötig. Das war insbesondere Siegwardts Part. „Ich habe das Material so verändert, dass es sich drucken lässt. Ich habe Monate gebraucht, bis ich die richtige Zusammensetzung gefunden habe“, sagt der Doktorand. Dabei waren zwei Hürden zu nehmen: Zum einen musste Siegwardt die Fließeigenschaften des pulvrigen Ausgangsstoffes so verändern, dass sie die Düsen des Druckers nicht verstopften, sprich: das Pulver möglichst rückstandsfrei gedruckt werden konnte. „Zweiter Punkt waren die thermischen Eigenschaften. Beim Pressen muss das Ausgangsmaterial etwa 120 Grad Celsius verkraften. Beim 3D-Druck fallen aber Temperaturen von 140 bis teilweise 200 Grad Celsius an“, erklärt der Wissenschaftler die Anforderungen an das Material. Viele Materialien seien ihm im Laufe der Monate kaputtgegangen, bis er letzten Endes doch die richtige Mischung gefunden habe. (clu)

Originalpublikation: L. Siegwardt, M. Gallei: Complex 3D-Printed Mechanochromic Materials with Iridescent Structural Colors Based on Core–Shell Particles, Advanced Functional Materials 2023; DOI: 10.1002/adfm.202213099

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