在自然界中，颜色是光与周期性微纳结构或纳米结构相互作用的结果。利用Nanoscribe的3D微纳加工技术，世界各地的科学家们正在致力于研究制造结构色的策略方案。受“Cynandra opis”蝴蝶的启发，科学家们利用双光子聚合技术制作了双光栅结构。该结构可在整个可见光范围内产生高纯度的颜色。研究人员还成功地在微纳尺度上3D打印出各种显示结构颜色的形状。
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June 22, 2022
3D打印蝴蝶形状结构色
科学家们对结构色的研究有着浓厚的兴趣，因为在自然界中，这种效果通常以多种形式出现。例如，蝴蝶翅膀因其鲜艳的结构颜色而备受关注。与合成染料和颜料不同，结构色具有亮度、角度依赖性、抗褪色稳定性和环境友好性等优点。Nanoscribe基于双光子聚合（2PP）的增材制造技术能够精确可靠地制造有着结构色的自然结构。利用基于2PP技术的3D打印在亚微米范围内的出色空间分辨率，可以实验研究结构色对各种结构参数的依赖性。
使用双光栅结构模拟蝴蝶颜色
受到“Cynandra opis”蝴蝶的翅膀产生蓝色彩虹色的启发，由Andrew deMello教授领导的来自苏黎世ETH的科学家们制造出了双光栅纳米结构，来模拟蝴蝶翅膀颜色。该 3D结构由两个相互垂直堆叠的网格层组成，也称为“交叉双光栅”结构。这种结构由两个衍射面组成，其中脊线阵列形成第一个衍射面，脊线下方的垂直阵列形成第二个衍射面。这些正交平面可以在x和y方向上衍射光。衍射和干涉的综合作用产生了着色。
3D打印纳米结构呈现平面颜色
基于这些观察，科学家们设计并3D打印了具有不同参数的双光栅纳米结构。通过这种方式，他们能够研究入射角、周期和高度对结构着色的影响。特征周期和/或脊线高度的变化都可能影响色调和颜色纯度。用于打印结构的透明基板使得研究人员可以从后部照亮结构，以在不同入射角度下产生着色效果。第一和第二平面之间光栅周期的变化，在同时保持光栅高度恒定的条件下，可实现在覆盖可见光谱的平面中产生全范围的彩色像素。这种类型的双光栅结构可用于打印缩小为毫米尺寸和微米像素尺寸的缩略图的米级图像。这种多色结构可能在数字3D显示器、显色过滤器和高密度数据存储（例如在微图像显示器中）中找到应用。
结构色3D形状
从平面结构着色到实现具有结构颜色的3D物体至今仍然是一个挑战。然而，结构颜色以3D方式的呈现突破了其在2D平面对应的形状、控制和显示颜色的自由度的限制。木堆结构光子晶体可以用作构建块来形成显示结构颜色的三维形状，十分具有应用前景。然而，只有当木堆结构光子晶体（WPC）从顶部照明时会产生这些颜色，为了在堆叠方向上实现可见的阻带，需要实现在所有空间方向上的结构分辨率低于500纳米的要求。用直写激光打印技术制造这些结构有一定难度。但是，可以通过使用先进系统和新型材料或热收缩等后处理步骤来提高结构分辨率。
利用2PP技术实现3D结构色打印
新加坡科技研究机构Agency for Science, Technology and Research A*STAR的研究人员联合新加坡科技设计大学Singapore University of Technology and Design和南洋理工大学Nanyang Technological University合作开发了一种使用木堆结构光子晶体创建3D结构色的新策略：他们在横向照明条件下从理论和实验上研究了的木堆光子晶体带结构。采用一步打印技术，避免了后期处理工艺和用于制作WPC打印亚波长晶格常数的需要。
利用Nanoscribe的双光子聚合技术，可以制作各种面内（750到1300纳米）和面外（900到1400纳米）间距不同的WPC。受益于高度仅为380纳米，宽度130纳米的杆，WPC可产生明亮结构色的高反射率，反射率高达50%。这种方法产生的WPC呈现出了不同的颜色，例如蓝色、青色、绿色、绿黄色、黄色到红色和紫色。由这些结构生成的鲜艳颜色覆盖了85%以上的sRGB颜色空间，并可表现出优异的颜色纯度。
可调节彩色3D形状
研究人员还验证了着色打印任意3D形状。他们3D打印了新加坡标志性吉祥物鱼尾狮和3D Benchy模型，该模型被称为3D打印性能的基准。这些彩色3D形状展示了调整3D形状不同部分颜色的能力。即使在复杂的几何体中，也可以通过同时改变平面内和平面外的间距来实现体素级别的精确颜色调整。这些结构反射的颜色可以实现渐变和突变颜色变化。这将为3D自由结构色在基于着色的传感器、彩色显示器、发光器件和防伪应用等领域开辟新的应用契机。
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