Home Forschung & Bildung Neuheit: Forscher 4D-drucken farbwechselnden Käfer

Neuheit: Forscher 4D-drucken farbwechselnden Käfer

Der 3D-Druck ist zum Mainstream geworden. Für ein paar hundert Euro kann man online einen 3D-Drucker kaufen und loslegen. Aber was ist mit dem 4D-Druck? Wie druckt man ein Objekt, das sich im Laufe der Zeit verändern kann, indem es zum Beispiel auf Berührung, Licht oder Feuchtigkeit reagiert? Der Doktorand Jeroen Sol hat sich dieser Herausforderung gestellt. Er ließ sich von der Welt der Bockkäfer und anderer Tiere inspirieren, die schillernde und andere Formen der Farbveränderung nutzen.

Sols Forschungsgruppe, die von Professor Albert Schenning geleitet wird, hat umfangreiche Erfahrungen mit intelligenten Materialien, die auf äußere Reize wie Licht, Temperatur oder Feuchtigkeit reagieren. Die Materialien nutzen die Flüssigkristalltechnologie, ähnlich wie bei LCD-Bildschirmen, aber in Kunststoffen. Diese Kristalle erhalten unterschiedliche Eigenschaften, je nachdem, in welche Richtung sie ausgerichtet werden (sie werden anisotrop). Dies kann entweder mechanisch geschehen, indem sie in einer Richtung stärker werden als in der anderen, oder optisch, indem sie je nach Lichteinfallswinkel eine andere Farbe haben.

Ein schillernder Käfer

Letzteres ist genau das, woran Sol in den letzten vier Jahren gearbeitet hat. Ist es möglich, ein Objekt zu drucken, das unter dem Einfluss von Feuchtigkeit seine Farbe ändert?

„Die Inspiration dazu habe ich in der Natur gefunden, insbesondere beim Tmesisternus isabellae, einer Bockkäferart, deren Flügeldecken sich je nach Feuchtigkeit verfärben.“

Dass Sol die Feuchtigkeit als Stimulus wählte und nicht das Licht (wie die Doktorandin Marina Pilz da Cunha aus derselben Forschungsgruppe zuvor für ihren gehenden Mini-Roboter), ist kein Zufall.

„Der Mensch besteht zum größten Teil aus Wasser, und ein Sensor, der einfach und kostengünstig mit einem 3D-Drucker gedruckt werden kann und auf Feuchtigkeit reagiert, könnte alle möglichen Anwendungen im Gesundheitswesen haben. Man denke an einen Ring, der die Transpiration misst, oder in Zukunft vielleicht den Blutzucker“.

Aber Sol ging noch einen Schritt weiter. Er druckte tatsächlich einen Käfer.

„In der Welt der Materialwissenschaft ist es sehr wichtig, dass man einen Demonstrator herstellt, der beweist, dass die eigene Erfindung tatsächlich funktioniert. Und die Wahl eines Tieres ist naheliegend, denn es gibt zahlreiche Tiere, die sich das Schillern und andere Formen der Farbveränderung zunutze machen, zum Beispiel zur Tarnung.“

Ein Bad in der Säure

Sol erklärt. „Zuerst habe ich einen Käfer aus Hartplastik gedruckt und mit photonischer Tinte Elytren darauf aufgetragen. Auch dies geschah mit einem Drucker. Diese Schicht habe ich dann mit einer Säure behandelt. Das bewirkt, dass die Kristalle in der Tinte auf Feuchtigkeit reagieren. Bei mehr Feuchtigkeit quillt das Material sozusagen auf und dehnt die spiralförmige Struktur der Kristalle. Dadurch verändert sich dann die Farbe.

Das Schöne daran ist, dass man die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit manipulieren kann, indem man die Moleküle weniger oder stärker auflädt. Das eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen“.

Emulating nature, 3D-printed beetle changes colour under the influence of water

 

Als nächstes setzte der Forscher den Käfer in einen geschlossenen Raum, in dem er die Luftfeuchtigkeit kontrollieren konnte. Mit zunehmender Feuchtigkeit wurde der grüne Käfer langsam röter und röter. Wenn er die Feuchtigkeit wieder senkte, wurde der Käfer wieder grün.

„Letzteres ist entscheidend“, sagt Sol. „Das bedeutet, dass der Effekt umkehrbar ist. Ohne dass der Benutzer ihn zurücksetzen muss, kann er wieder als Sensor oder Aktor eingesetzt werden.“

Zukünftige Projekte

Der junge Forscher spricht mit ansteckender Begeisterung über seine Forschung.

„Ich denke, es ist sehr wichtig, dass wir der Außenwelt deutlich machen, was Wissenschaftler tun. Die Leute müssen wirklich nicht jedes Detail verstehen, aber sie müssen wissen, was wir tun. Deshalb unterrichte ich auch so gerne. Wissen an andere Menschen weiterzugeben.“

Der Forscher hat inzwischen eine neue Stelle bei einem Spin-off seiner Forschungsgruppe, Lusoco, gefunden. Das Unternehmen arbeitet an der Entwicklung von fluoreszierenden Farben, zum Beispiel für Beleuchtung, Stromerzeugung und Gebäude.

„Darauf freue ich mich sehr. Außerdem ist das Unternehmen auf dem Campus angesiedelt, ich werde also erst einmal nicht von hier weggehen!“

Den vollständigen Bericht finden Sie hier.
Mehr über die TU Eindhoven finden Sie hier, und mehr über Jeroen Sol finden Sie hier.

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