3D打印透明纳米结构 使结构着色成为可能

日常生活中，我们看到的大多数物体都是用颜料着色的，但使用颜料有几个缺点：第一，颜色会褪色；第二，工业颜料通常是有毒的；第三，某些颜色效果是不能实现的。然而，自然界会表现出结构着色，其中物体的微观结构导致各种颜色。

例如，孔雀羽毛是棕色的，但是由于羽毛内的长凹陷结构，结果我们看到的是彩虹色、蓝色和绿色。

最近的一项技术进步使得制造导致结构着色的纳米结构变得切实可行，奥地利科学技术研究所（奥地利IST）和阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的计算机科学家现已创建一种计算工具，可为用户定义的颜色创建相应的纳米结构并创建出3D打印模板（ACM Transactions on Graphics，“Nanostructural Color of Nanostructural Color for Additive Manufacturing”）。

他们的工作展示了工业中结构着色的巨大潜力，并为非专家创造自己的设计开辟了可能性。该项目将由第一作者、奥地利IST博士后Thomas Auzinger在今年的顶级计算机图形会议SIGGRAPH 2018上展出。这是奥地利IST在今年会议上的五个演讲之一。

光从下面照射3D打印的纳米结构。透过后，观察者只能看到绿光（图片来源：Thomas Auzinger）

变色龙的颜色变化以及形态蝴蝶的虹彩蓝色和绿色，以及自然界中的许多其他颜色，是结构着色的结果，其中纳米结构在光线中产生干涉效应，从宏观上观察时便可看到各种颜色。

结构着色比用颜料着色（特定波长被吸收）具有某些优点，但直到最近，技术的限制意味着制造这种纳米结构需要高度专业化的方法。

然而，新的“直接激光写入”装置的成本与高质量的工业3D打印机相当，并且允许以数百纳米的规模打印（比人类头发薄一百到一千倍），打开科学家们可以尝试结构着色的可能性。

到目前为止，科学家们已经初步尝试了他们在自然界中观察到的纳米结构，或者采用简单，规则的纳米结构设计（例如一排排柱子）。然而，奥地利IST的Thomas Auzinger和Bernd Bickel以及KAUST的Wolfgang Heidrich采用了一种创新的方法，该方法在几个关键方面有所不同。

首先，他们解决逆设计任务：用户输入他们想要复制的颜色，然后计算机创建一个纳米结构模式，给出该颜色，而不是尝试重现自然界中发现的结构。此外，“我们的设计工具是完全自动化的，”Thomas Auzinger说。“用户不需要额外的操作。”

其次，模板中的纳米结构不遵循特定的图案或具有规则的结构;它们似乎是随机组合的——与以前的方法完全不同，但有很多优点。

“当看到计算机生成的模板时，我无法单独通过结构来判断，如果我看到蓝色或红色或绿色的图案，”Auzinger解释道。“但这意味着计算机正在寻找我们作为人类无法解决的解决方案。这种自由形式的结构非常强大：它可以提供更大的灵活性，并为其他着色效果开辟了可能性。”

例如，他们的设计工具可用于打印从一个角度看起来是红色而从另一个角度看起来是蓝色的正方形（称为定向着色）。

最后，当涉及到实际制作时，之前的努力也发生了变化：设计通常无法打印。然而，新的设计工具保证了用户最终会得到一个可打印的模板，这使得它对于工业中结构着色的未来发展非常有用。

“设计工具可以用来制作新颜色和其他工具的原型，以及寻找可以在工业上生产的有趣结构，”Auzinger补充道。设计工具的初步测试已经取得了成功。奥地利IST Bernd Bickel教授说：“看到完全由透明材料组成的东西看起来很有色，仅仅是因为人眼看不到的结构，这真是令人惊讶。我们渴望尝试其他材料，扩大范围以及我们可以实现的效果。”

“目睹计算工具在制造中日益重要的作用尤其令人兴奋，”Auzinger总结道，“更令人兴奋的是，'计算机图形'的扩展包括物理图像和虚拟图像。”

原文来自nanowerk，原文题目为Color effects from transparent 3D-printed nanostructures，由材料科技在线汇总整理。