Chemiker drucken weltweit erstmals komplexe 3-D-Objekte in schillernden Strukturfarben

Den Effekt kennt man von Schmetterlingen oder Opalen: Je nach Lichteinfall schillern Tiere oder Edelsteine in verschiedenen Regenbogenfarben. Solche „Strukturfarben“ verblassen nicht und sind ungiftig. Bisher konnten solche Farben künstlich nur als dünner Film hergestellt werden.

Die Chemiker Lukas Siegwardt und Markus Gallei von der Universität des Saarlandes haben nun ein Verfahren gefunden, wie sie dreidimensionale komplexe Objekte drucken können, die brillante Strukturfarben zeigen. Ihre Methode haben sie im renommierten Fachjournal Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Im menschlichen Miteinander gilt „Harte Schale, weicher Kern“ als Gütezeichen für den menschlichen Charakter. Im Falle des Forschungsgegenstandes von Markus Gallei und Lukas 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 Lukas Siegwardt und sein Professor nun so verändert, dass sie auch im 3-D-Drucker verarbeitet werden können.

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 Professor Gallei. Man kann daran ziehen, Strom anlegen, die Temperatur verändern, den pH-Wert und viele weitere Parameter beeinflussen, die allesamt dazu führen, dass die Farbe sich ändert. „Man kann das Material beliebig schalten“, nennt Markus Gallei solche Vorgänge. Solche Farben haben zwei große Vorteile: Sie sind zum einen völlig unschädlich im Gegensatz zu vielen anderen Farben. Und sie bleichen niemals aus. Hinzu kommt ihre schier unendliche Wandlungsfähigkeit, die bisher nur dadurch begrenzt wurde, dass sie als hauchdünner Film hergestellt werden konnten. Nun hingegen wären 3-D-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.

Lukas Siegwardt demonstriert die Wandlungsfähigkeit des Stoffes, indem er an einem ausgedruckten, etwa fünf Zentimeter langen Prüfling zieht. Die vormals rote Farbe des Objekts verändert sich immer mehr ins Blaue, je mehr der Doktorand daran zieht. „Damit habe ich schon einen einfachen Sensor, der auf Zug- und Druckkräfte reagiert“, erklärt der junge Wissenschaftler.

Markus Gallei erklärt die Chemie, die dahintersteckt. Die 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 3-D-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.“ 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“, erklärt Markus Gallei mit einem Bild den Vorgang auf molekularer Ebene. So verändern sich die Partikelabstände und damit auch die Farbwiedergabe.

Um ein solches Material auch für einen 3-D-Druck aufzubereiten, war eine Menge Laborarbeit nötig. Das war insbesondere Lukas 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 rückblickend. Dabei waren zwei harte Nüsse zu knacken: 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 3-D-Druck fallen aber Temperaturen von 140 bis teilweise 200 Grad Celsius an“, erklärt der Wissenschaftler die Anforderungen an das Material. „Viele Materialien sind mir im Laufe der Monate kaputtgegangen“, erinnert er sich. Bis er letzten Endes doch die richtige Mischung gefunden hat.

So haben die beiden saarländischen Wissenschaftler die Basis dafür geschaffen, dass mit der neuartigen Methode nun Anwendungsgebiete gefunden werden können, in denen die schillernden Objekte sinnvoll nutzbar sein können. Weicher Schale, hartem Kern sei Dank.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Markus Gallei
Tel.: (0681) 302-4840
E-Mail: markus.gallei@uni-saarland.de
Homepage: www.gallei-lab.com

Lukas Siegwardt
Tel.: (0681) 302-2492
E-Mail: lukas.siegwardt@uni-saarland.de

Originalpublikation:

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

Weitere Informationen:

Weitere Abbildungen und die Portraits in hoher Auflösung zum Download unter https://www.uni-saarland.de/aktuell/3d-druck-strukturfarben-polymerchemie-26203….