Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft toxisch und manche Farbeffekte sind auf diese Weise gänzlich unerreichbar. In der Natur kommen jedoch auch sogenannte Strukturfarben vor, bei denen die Mikrostruktur eines Objekts Farben hervorruft. Pfauenfedern sind ein Beispiel dafür.

Sie sind braun pigmentiert, reflektieren aber auf Grund winziger, regulär angeordneter Hohlräume in den Federn die irisierenden Blau- und Grüntöne, die wir sehen. Nanostrukturen zur Strukturfärbung können mittlerweile technisch gefertigt werden, und Computerwissenschaftler vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) und von der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) haben nun ein Computerprogramm entwickelt, das automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen erstellt, die zur Erzeugung der vom Nutzer 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. Thomas Auzinger, Erstautor und Postdoc am IST Austria, wird die Arbeit auf der Computergrafik-Konferenz SIGGRAPH 2018 vorstellen. IST Austria-Forscher sind dieses Jahr an insgesamt fünf Präsentationen auf dieser renommierten Konferenz beteiligt.

Die veränderlichen Farben eines Chamäleons und die schillernden Blau- und Grüntöne des Blauen Morphofalters sind neben vielen anderen in der Natur das Ergebnis von Strukturfärbungen. Dabei verursachen Nanostrukturen Interferenzen im Licht, was makroskopisch betrachtet zu einer Vielzahl von Farben führt.

Die Strukturfärbung hat Vorteile gegenüber der Färbung mit Pigmenten, doch bis vor kurzem war die Herstellung der nötigen Nanostrukturen limitiert und nur durch hochspezialisierte Methoden möglich. Neue Verfahren wie etwa „Direct-Laser-Writing“ ermöglichen jetzt aber das Drucken im Bereich einiger hundert Nanometer, was etwa einem Hundertstel bis zu einem Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.

Dabei sind die Beschaffungskosten vergleichbar mit denen eines hochwertigen industriellen 3D-Druckers, was Wissenschaftlern die Möglichkeiten eröffnet, mit Strukturfärbung zu experimentieren.

Bisher wurde hauptsächlich mit Nanostrukturen experimentiert, die in der Natur vorkommen, sowie mit einfachen, regelmäßigen nanostrukturellen Designs wie zum Beispiel einer regelmäßigen Anordnung von Nanosäulen. Thomas Auzinger und Bernd Bickel vom IST Austria haben nun zusammen mit Wolfgang Heidrich vom KAUST einen innovativen neuen Ansatz gewählt, der sich von bisherigen Forschungen in mehreren wesentlichen Punkten unterscheidet.

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 Design-Tool ist außerdem komplett automatisch“, sagt Thomas Auzinger. „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“, erklärt Auzinger. „Das bedeutet, der Computer findet Lösungen, die wir als Menschen nie gefunden hätten. Diese Freiformstruktur ist extrem leistungsstark: Sie ermöglicht eine größere Flexibilität und eröffnet Möglichkeiten für zusätzliche Farbeffekte.“ Mit dem Design-Tool kann man auch richtungsabhängige Farbeffekte erzeugen, beispielsweise ein Quadrat, das aus einem bestimmten Winkel rot und aus einem anderem blau erscheint.

Zudem sind frühere Bemühungen auch bei der Herstellung ins Stocken geraten: Die Entwürfe waren oft nicht druckbar. Das neue Design-Tool garantiert jedoch, dass der Benutzer eine druckbare Vorlage erhält, was die Methode für den Einsatz in der Industrie äußerst nützlich macht.

„Mit dem Design-Tool können neue Farben und andere Werkzeuge prototypisiert und interessante Strukturen gefunden werden, die industriell herstellbar sind“, ergänzt Auzinger. Erste Tests des Design-Tools 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.“

Über das IST Austria
Das Institute of Science and Technology (IST Austria) in Klosterneuburg ist ein Forschungsinstitut mit eigenem Promotionsrecht. Das 2009 eröffnete Institut widmet sich der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, Mathematik und Computerwissenschaften. Das Institut beschäftigt ProfessorInnen nach einem Tenure-Track-Modell und Post-DoktorandInnen sowie PhD StudentInnen in einer internationalen Graduate School. Neben dem Bekenntnis zum Prinzip der Grundlagenforschung, die rein durch wissenschaftliche Neugier getrieben wird, hält das Institut die Rechte an allen resultierenden Entdeckungen und fördert deren Verwertung. Der erste Präsident ist Thomas Henzinger, ein renommierter Computerwissenschaftler und vormals Professor an der University of California in Berkeley, USA, und der EPFL in Lausanne, Schweiz. www.ist.ac.at

Prof. Bernd Bickel
bernd.bickel@ist.ac.at

Thomas Auzinger, Wolfgang Heidrich, and Bernd Bickel. 2018. Computational Design of Nanostructural Color for Additive Manufacturing. ACM Trans. Graph. 37, 4, Article 159 (August 2018). 16 pages. DOI: 10.1145/3197517.3201376
https://repository.ist.ac.at/1028/1/NanoStructColor-Auzinger-paper.pdf

http://visualcomputing.ist.ac.at/publications/2018/StructCol/ Projektseite (einschließlich Originalpublikation)