色褪せない色：研究者が蝶の羽にヒントを得たフルカラースペクトルを3Dプリント

アンタークティック・ベアは、チューリッヒにあるスイス連邦工科大学の研究者が、蝶の羽にヒントを得た人工のカラフルなナノ構造を3Dプリントすることに成功したことを知りました。
熱帯アフリカ原産の Cynandra opis 蝶の羽は鮮やかな色で有名です。しかし、これらの色は色素によるものではなく、構造によるもので、つまり羽の表面にある複雑なナノ構造によって生み出されます。 Cynandra opis の羽は、可視光線を偏向・屈折させ、特定の色成分を増幅することで、宝石のような光沢を生み出します。
生化学工学教授アンドリュー・デメロ氏が率いる研究チームは、カスタムナノプリンティング技術を使用してこれらの自然に発生する構造を再現することに成功しました。
「キナンドラ・オピスの羽にある規則的なナノ構造は、3Dプリント技術を使った再構築に特に適しています」と研究の筆頭著者であるシャオバオ・カオ氏は説明する。
△ 3Dプリント構造色のモデルとして使用されたオスのキバタフライ。写真提供：ETHチューリッヒ。
3Dナノプリント技術でシナンドラピスの色彩構造を模倣<br /> 顕微鏡で見ると、キバタンの羽は、線が積み重なった二次元格子で構成されています。これらの線の間の自然な間隔は 0.5 ～ 1 ミクロンです。
ETH の研究者たちは、同じ列のグリッドを 3D プリントし、間隔と高さを 250 ナノメートルから 1.2 マイクロメートルの間で変えることで、可視スペクトル上のほぼすべての色を生成できることを発見しました。研究で明らかになった色合いの多くは、Cynandra opis の羽本来の色合いではありません。さらに、これらのナノ構造は、透明ポリマーを含むさまざまな材料で 3D プリントされました。
「ナノ構造の背後に光を当てると、さまざまな色が現れます」と、研究の共著者であるスタブロス・スタブラキス氏は説明する。「可視スペクトルのすべての色を半透明の材料の構造色として生成することに成功したのは、今回が初めてです。」
△ 2 層のメッシュの SEM 画像。左側は蝶の羽の詳細、右側は 3D プリントされた構造の一部です。画像はETHチューリッヒより。
この技術はどこに応用できるのでしょうか?
ETH チームは、この技術の応用方法を見つけるために、構造化されたカラーピクセルで構成された 2 x 2 マイクロメートルの小さな画像を 3D プリントしました。研究者たちは、同様の小さな画像が最終的には紙幣やその他の文書の真贋判定に利用できるようになると考えている。
透明素材を使用して色を3Dプリントできるため、光学機器用のカラーフィルターの製造も可能になるかもしれません。この特定のアプリケーションは、マイクロ流体システムの開発を専門とする deMello の研究グループとうまく連携するでしょう。現在の研究は、化学実験や生物学実験のシステムの小型化に役立つ可能性があります。
ETHチームは、カラーピクセルの大量生産も可能だと述べている。これにより、新しいタイプの高解像度カラーディスプレイ、さらにはフレキシブルスクリーンへの道が開かれる可能性があります。
最終的には、研究者たちは、3D プリントされた構造色が、印刷や塗装に使用される顔料の適切な代替品になる可能性があるとさえ考えています。紫外線による退色に耐性があるため長持ちするだけでなく、今日のほとんどの顔料オプションよりも環境への影響も少なくなります。
△フルカラーシリーズの3Dプリントにこの技術が使われています。写真提供：ETHチューリッヒ。
この研究の詳細は、「生物にヒントを得たビグレーティングカラーフィルターのためのキナンドラオピス蝶の構造色の再現」という論文に記載されています。
関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109161

研究者が自然からインスピレーションを得て、色が変わる 3D プリントアプリケーションを開発したのは今回が初めてではありません。つい最近、ダブリン大学トリニティ・カレッジとSFIの先端材料・バイオエンジニアリング研究センター（AMBER）の研究者らが、孔雀の色が変わる羽をベースにした、新しい微細3Dプリントガスセンサーセットを開発しました。特定の溶剤蒸気の存在下で色を変えることができる 3D プリントセンサーは、危険な汚染物質を検出するための非常に直感的な方法として機能する可能性があります。
一方、アイントホーフェン工科大学（TUE）の科学者たちは、3Dプリント可能な新しいタイプの色が変わる液晶インクを開発し、新境地を拓いた。インクは見る角度によって色が変化し、タマムシの外側や軟体動物の殻の内側のように虹色に見えます。

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