Computergenerierte 3D-druckbare Nanostrukturen für Farbdarstellung

Die additive Fertigung hat in letzter Zeit drastische Verbesserungen in der Auflösung erfahren, so dass es nun möglich ist, Nanostrukturen im Maßstab von Hunderten oder sogar Dutzenden von Nanometern herzustellen, was früher sehr teure lithographische Verfahren erforderte. Infolgedessen scheint die additive Fertigung jetzt für optische Anwendungen bereit zu sein, einschließlich derer, die für Computergraphik relevant sind, wie z. B. Materialdesign, sowie Anzeige- und Bildgebungsanwendungen.

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.

Bei der Erstellung der Farben haben die Forscher 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.

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.

Das neue Design-Tool garantiert, dass der Benutzer eine druckbare Vorlage erhält, was die Methode für den Einsatz in der Industrie äußerst nützlich macht.

Die Authoren der Publikation “Computational Design of Nanostructural Color for Additive Manufacturing” sind Thomas Auzinger, Wolfgang Heidrich, and Bernd Bickel