金ナノ粒子の光学特性を利用して色が変わるカップを3Dプリント

金ナノ粒子の光学特性を利用して色が変わるカップを3Dプリント

二色性を持つ材料の歴史は、少なくとも 4 世紀にまで遡ります。当時は、リュクルゴスの杯が作られた時代 (おそらく偶然) に遡ります。リュクルゴスの杯は、正面から照らされると不透明な緑色に見え、後ろから照らされると半透明の赤色に見えたガラス容器でした。 この効果は、特定の波長の光を反射し、他の波長の光を透過する細長い金と銀のナノ粒子によって生じますが、おそらくリュクルゴスのカップの製作者はこのことを知らず、ガラスの光沢を高めるために金属粉末を追加しただけでしょう。 しかし、オランダのワーゲニンゲン大学のヴィットリオ・サッジョモ氏とその同僚たちは、光学効果の原因を理解しており、金ナノ粒子を使って3Dプリントし、二色性を持つ物体を作成する方法を開発した。


研究者たちは、まず、クエン酸を使って金イオンを金ナノ粒子に還元する、ターケビッチ法の改良版を用いて二色性溶液を作成することから始めた。 溶液は、最初は黄色から青に、数分後に濃い黒に変わり、最後に二色性の不透明な茶色/透明な紫色に落ち着くまで、複数の一時的な色の変化を起こします。
論文には次のように記されている。「時間依存の研究では、時間の経過とともに小さな金の核が形成され、最初の色の変化と同時にナノワイヤのような構造を形成することが示されています。インクのような黒から紫への2回目の色の変化は、散乱の強化を伴い、紫色の溶液に茶色の反射を与えます。沸騰すると、金のナノワイヤは断片化して、大きな頭と細長い尾を持つナノ粒子を形成し、時間の経過とともに縮み始めます。」


次に、二色性金ナノ粒子溶液をプラスチックの一種であるポリビニルアルコール(PVA)に注入しました。 プラスチックは、標準的な FDM 3D プリンター (この場合は Ultimaker 2) で使用できるフィラメントに押し出されます。 この素材で印刷された 3D パーツは、正面から光が当たると茶色に見えますが、背後から光を当てると透明な紫色に変わります。


トルケヴィッチ法によって生み出される効果は、十分に研究されている現象です。 これは物理学と化学が出会う素敵なイベントの一つです。 光を曲げる効果と 3D プリントを組み合わせることで、この古い技術に新たな注目が集まることは間違いありません。特に、この効果を実現するには少量の金ナノ粒子しか必要ないためです。 二色性プラスチックは、アーティストの間で人気があるだけでなく、光学系やセンサーを 3D プリントするのにも使用できます。
出典: 3ders
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