バイオニック染色、復旦大学の研究者がより環境に優しい3Dプリント着色部品の新しい方法を開発

2022年6月1日、アンタークティックベアは、復旦大学の研究者が3Dプリント部品に色を付ける新しい方法を開発したことを知りました。この方法は、従来の染色や着色よりもはるかに安全な製品を生産できると言われています。
科学者たちは、熱や光に反応して外観が変化し、「構造的着色」を実現するコンポーネントを作成するために使用できる新しい生体適合性インクを開発した。研究チームは、このインク材料はウェアラブルバイオセンサーや安全な子供用玩具の印刷に使用できると述べた。
「この液晶インクはコレステロール液晶状態を維持し、構造色を生成するため、環境に優しい新世代の光硬化型3Dプリントが可能になると考えている」と研究チームは論文で説明している。
△ 3D プリントされた部品は、さまざまな熱条件下で色が変わります。画像はサウスチャイナ・モーニング・ポストより。
伝統的な染色の毒性を克服する<br /> 私たちの日常生活において、ヘアカラーや衣類の染料などの一部の消費財は、使用者に健康上の問題を引き起こすことがよくあります。持続可能な衣料品キャンペーン団体「グッド・オン・ユー」は、今日の衣料品に使用されている染料の多くは「アゾ染料」など発がん性があるとさえ述べている。この悪名高い染料は欧州連合では禁止されているが、世界中の他の地域では依然として広く使用されている。。
これに触発されて、研究者たちは3Dプリントフィラメントを着色するための顔料に興味を持つようになりました。フィラメントを着色するために使用されるこれらの添加物は材料ごとに異なり、濃縮により一定の濃度を超えると有毒になる傾向があります。このため、交差汚染の可能性がある食品や皮膚との接触に対して部品が「安全」かどうかを判断するために、このような広範な研究が行われます。
とはいえ、多くの場合、溶融フィラメントから作られた 3D プリント部品の色は、それが現実的な臨床モデルであろうと卓上フィギュアであろうと、最終的な用途にとって依然として重要です。そこで上海の復旦大学、南京の東南大学、中国科学院大学の研究者らは解決策を模索した。今、彼らは自然の中で答えを見つけました。
具体的には、科学者たちは構造色と呼ばれる効果を再現しようとしていた。これは蝶や孔雀などの動物によく見られ、これらの動物はこの特徴をカモフラージュや配偶者を引きつけるなどのさまざまな目的で利用している。実際には、この現象は、多くの場合顔料を必要とせずに、可視光を妨害するほど微細な表面構造を通じて色の錯覚を生み出します。
「物質が照らされると、光源のいくつかの波長が反射され、私たちが見る色が生まれます」と、この研究の筆頭著者であるシャン・ルオラン氏は言う。「自然界では、蝶や昆虫、カメレオン、一部の植物が、色素を含んでいなくても羽に鮮やかな色や金属色を表現できるのはそのためです。構造色は物理的構造に基づいて生成される色で、より安定しており、簡単には色あせません。」
△チームがバイオミメティックインクを使用して 3D プリントしたいくつかのプロトタイプ。画像はZhang Zhuohaoより。
「構造的に着色された」3D 印刷インク<br /> 新しい 3D プリント材料を調合するために、研究者らはゼラチンとハイドロゲルをヒドロキシプロピルセルロース (HPC) とコレステリルセルロース液晶 (CLC) と組み合わせました。研究チームは、HPC を「構成要素」として使用することで、明るいメタリックな色を作り出すことができる CLC を開発できることを発見しました。また、熱応答性ハイドロゲルを統合することで、紫外線によってこのプロセスを開始できるようになりました。
科学者たちは、この材料の色を変える能力を評価するために、アルミホイルや実験台などの平らな表面にさまざまな形のプロトタイプを3Dプリントした。いずれの場合も、部品はプロンプトに応じて外観が変化したと言われており、チームは現在、ハイドロゲルを天然由来の代替品に置き換えるなど、配合を改善する方法を研究していると主張している。
研究者らは、こうすることでインクを食べられるようになり、新たな潜在的市場を開拓できる可能性があると述べている。チームはまた、その材料を使って曲面上の部品を作成する可能性についても調査している。理論的には、これにより、当然ながら一定の非毒性基準を満たす必要がある、子供のおもちゃに見られるような複雑な部品の作成が可能になります。
「今後、インクの配合をさらに改良する予定です」と研究の共著者であるラン・ルオ氏は結論づけている。「現在、物体は平面にしか印刷できません。将来的には、リンゴなどさまざまな形状の曲面にもこの技術が適応できるようになることを期待しています。」
△米陸軍はバイオニックアプローチを採用し、蛾のような「変形コーティング」を光学部品に塗布する方法の特許を昨年申請した。写真はルーベン・マルケスによるものです。
バイオニック積層造形<br /> 国内の科学者が開発したこの新素材は確かに目を引くものだが、驚くべきことに、自然が3Dプリントの革新の源となったのはこれが初めてではない。ちょうど昨年、米陸軍暗視研究所の科学者たちは、蛾を見えなくする模様を軍用装備に刻印できる独自の3Dプリントローラーの開発に成功した。
一方、浙江大学の研究者たちは、イカを参考にして、独自のエネルギー吸収能力を備えたバイオニック細胞のような構造を開発した。研究チームによると、この部品は航空機、装甲車、車両、建物の製造に使用できるという。超軽量でありながら、自重の2万倍の変形にも耐えられるという。
国立台湾科技大学の科学者たちも海洋生物からインスピレーションを得て、ウニの形態を模倣した新しい格子状の3Dプリント構造を設計した。この生物の機械的に安定し、耐荷重性のある形状を利用することで、研究チームはより効率的な支持されていない部品を構築することができました。

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