米国科学アカデミー紀要：カメレオンにヒントを得て、色を動的に調整するUVアシストDIW 3Dプリントが開発されました

アンタークティック・ベアは、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者がカメレオンの色を変える能力にヒントを得て、単一のインクを使った3Dプリント積層造形技術を使って複数のダイナミックな色を印刷できる持続可能な技術を開発したことを知りました。この研究は、「構造色のオンザフライ制御のための直接インク書き込み架橋ボトルブラシブロック共重合体」というタイトルで、2023年1月に米国科学アカデミー紀要に掲載されました。

背景カメレオンは環境の変化に応じて皮膚の色を調整できる動物です。皮膚には色素細胞と呼ばれる特殊な細胞があり、細胞内の色素粒子の分布を変えることで反射光の波長を変え、さまざまな色を作り出すことができます。この色を変える能力は、カモフラージュ、コミュニケーション、感情表現など、カメレオンの生存と繁殖にとって重要な意味を持ちます。カメレオンの色が変わる仕組みは、人間の科学技術にもインスピレーションを与える可能性があります。たとえば、調整可能な光学デバイス、スマート材料、バイオセンサーの作成に使用できます。

研究内容 ナノスケールの構造を制御し、動的に調整できる付加製造は、今日でも依然として課題となっています。研究者らは、積層造形と自己組織化を組み合わせることで、光架橋による組織化ダイナミクスをプログラミングし、構造色を動的に調整する紫外線支援直接インク書き込み法を開発しました。具体的な研究内容は以下のとおりです。

△UVアシストDIW 3Dプリンター。 (A) 押し出し後の光架橋のためのカスタムメイドの空気圧インクディスペンサーと UV 硬化システムを備えたプリンター設計の概略図。 (B) 市販の3Dプリンターモーションコントローラーを集中制御し、カスタムUV硬化システムおよびインクディスペンサーと同期させるためのPolyChemPrint3_UV（PCP3_UV）ソフトウェアフレームワークを開発しました。

●研究者らは、光架橋可能なボトルブラシブロック共重合体溶液（BBCP）を印刷インクとして設計しました。押し出し後、ナノスケールの層状構造を形成し、溶液は明るい構造色（つまり、フォトニック特性）を示します。印刷プロセス中に紫外線の放射照度を動的に調整することにより、印刷物の色をプログラムして、単一のインクを使用して可視光の広いスペクトルを実現すると同時に、これまで不可能だった色のグラデーションを作成することができます。（構造色とは、物質のマイクロナノ構造による光の干渉と散乱によって生成される色です。従来の化学顔料や染料によって生成される色とは異なり、より鮮やかで持続的です。）

△UV架橋により構造色を瞬時に調整

●研究者らは、粗視化シミュレーション、レオロジー測定、構造特性評価を組み合わせて、このアプローチのメカニズムを明らかにしました。組み立てメカニズムの核心は、架橋時間スケールと組み立て時間スケールの一致であり、これにより溶媒の蒸発によって構造色が青から赤に変化します。架橋化学と非平衡処理を組み合わせたこの戦略は、積層造形中に自己組織化ナノ構造を時空間的に制御する道を開きます。

●研究者らはまた、この材料を使ってカメレオンや絵画など、複雑な模様やダイナミックな効果を持つアート作品を作成する方法も実証した。これらの作品は鮮やかでリアルに見えます。

△構造的な色のグラデーションを示すUVアシストDIW 3Dプリント。 (A) 印刷プロセス中の紫外線照射のデジタル入力と、その結果生じる構造色グラデーションの線。 (BとC) インスタントUVアシストDIW 3Dプリントで印刷されたカメレオンと星月夜

結論

1.この研究では、自己組織化PS-b-PLA c-BBCPを使用して構造色を動的に調整できるUV支援DIW 3D印刷方法を提案します。この技術により、UV 架橋誘導蒸発アセンブリダイナミクスを通じて、単一のインク材料を使用して単一の印刷プロセスで複数の色をキャプチャできるようになります。このアプローチには、次の 2 つの改善点があります。

●まず、アリル官能化BBCPを設計・合成し、チオール-エン化学反応を利用してUV架橋しました。

●次に、UV 光の照射量をプログラムすることで架橋反応速度を動的に調整できる、UV アシスト DIW 3D プリント用のハードウェアおよびソフトウェアフレームワークを開発しました。

2.この方法では、紫外線照射量を411μW/cm2から0μW/cm2に下げることで、深青（392nm）からオレンジ（582nm）までの可視波長スペクトルの構造色が得られます。粗視化シミュレーションとレオロジーおよび現場構造特性評価を組み合わせることで、蒸発アセンブリ中に架橋によって誘発される運動学的トラッピング機構が明らかになりました。この組み立てメカニズムには 2 つの重要な要素があります。

●まず、溶媒の蒸発により、ブロック間の接触が増えてドメイン間隔が広がるため、自己組織化シートの構造色が青から赤に変化します。この洞察は、計算効率の高い ISC シミュレーションを使用してこのシステムをモデル化することによって達成されました。

●第二に、架橋の時間スケールがアセンブリの時間スケールと同程度である場合にのみ、架橋によってアセンブリの速度論と構造色を調整できます。この場合、架橋速度を上げると、アセンブリが平衡から遠ざかっても、より青い状態が維持されます。 UV レオロジーと in situ イメージングを組み合わせることで、一致する時間スケールの要件が明らかになり、これはネガティブコントロール実験によって検証されました。

3.この研究では、紫外線の放射照度を動的に調整することで色のグラデーション印刷を行う方法を実証し、青、緑、オレンジをカバーする「カメレオン」と「スターリーナイト」の 2 つの例を示しました。どちらも、単一のインクを使用して同じプリンターで生成されています。

研究の展望
研究者らが提案したアプローチは、付加製造と非平衡アセンブリを組み合わせて、ナノスケールの構造と光子特性の空間的および時間的な制御を実現します。この持続可能な技術は、3D 印刷分野に新たなアプローチを提供し、頻繁なカートリッジの交換や顔料の混合を必要とせずに、単一のインクで複数の色を印刷することを可能にします。この技術は、調整可能な光学フィルター、ディスプレイ、センサーなど、動的な色変化機能を備えたスマートな材料やデバイスを製造する新しい方法も提供します。さらに、豊かな色彩とダイナミックな効果を備えた作品を作成し、観客に新しい視覚体験をもたらすことができる、芸術創作のための新しい媒体も提供します。

オリジナルリンク: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313617121

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