Programmierbare Kunststoffe: Kodierung der „Farbe“ des Farblosen

Auguste Rodin hat gesagt: „Schönheit ist überall. Es ist nicht so, dass sie unserem Auge fehlt, sondern unsere Augen nehmen sie nicht wahr.“ Wenn man eine Mineralwasserflasche unter einen Polarisator stellt, findet man möglicherweise ein polychromes Muster. Für diese zufälligen und freien Farben schlagen Wissenschaftler eine genaue Kodierungsmethode vor. Sie erfanden eine Art programmierbarer Kunststoffe, bei denen ein genaues „unsichtbares“ Muster durch digitalisierte Modulation der inneren Spannungen eingefügt werden kann.

Das von Prof. XIE Tao vom College of Chemical and Biological Engineering geleitete Forschungsteam stellte der Öffentlichkeit Bilder durch Plastikfolien wie galoppierende Pferde und sogar Mona Lisas Lächeln vor. „Wir haben keinen Farbstoff zu den Materialien hinzugefügt oder die Mikrostruktur ihrer Oberfläche verändert. Die Bilder entstehen aufgrund des Drucks“, bemerkte ZHANG Guogao, ein Mitglied des Forschungsteams. „Mechanische Spannungen sind in Kunststoffen allgegenwärtig. Sie werden später durch Krümmung, Verformung oder Reißen freigesetzt. Dies ist einer der Gründe, warum Kunststoffartikel nicht haltbar sind. “

 

Graustufenfoto von Mona Lisa und ihr Infrarot-Wärmebild (die Maßstabsleiste beträgt 1 cm)

Das Forschungsteam berichtet damit über ein Materialkonzept, das ein Druckmanagement auf höchst effiziente digitale Weise ermöglicht, während die Spannung und die geometrische Form entkoppelt werden. Dies wird in einem dynamischen kovalenten Formgedächtnis-Polymernetzwerk realisiert, bei dem das elastische Formgedächtnis das Grundspannungsniveau festlegt und die geometrische Form beibehält, während die durch den dynamischen Bindungsaustausch ermöglichte Plastizität eine Spannungsabstimmung ermöglicht.

Kontrollierte Bildung dreidimensionaler Formen durch erwärmungsinduzierte Freisetzung (60°C) von digitalen Spannungsmustern in zweidimensionalen freistehenden Filmen (schwarze Linien in den Spannungskurven stehen für Laser-Cut-Through-Muster)

Mit einem digitalen Graustufen-Fotothermiemechanismus kann eine beliebig definierte Spannungsverteilung in einem freistehenden Polymerfilm erzeugt werden. Die natürlich unsichtbaren Spannungen können als mechanische Farben unter polarisiertem Licht weiter visualisiert werden, wodurch sich deren Potenzial für das Kodieren verborgener Informationen erkennen lässt.

 

a, b Blumen- und Schmetterlingsmalerei im hellen (oben) und dunklen Feld (unten).

c Das Pferdebild im traditionellen chinesischen Stil.

d Bilder von Zebras, die durch Laser-Direktschreiben im hellen (oben) und dunklen Feld (unten) erstellt wurden.

Laut den Forschern kann jede beliebige Spannungsverteilung mittels maskenfreiem Digitaldruck in ein dynamisch vernetztes Formgedächtnispolymer programmiert werden. „Der derzeit bekannte 4D-Druck, der auf der Spannungssinduzierten 2D-zu-3D-Transformation basiert, ist in hohem Maße abhängig von der Erzeugung einer ungleichmäßigen Spannung beim Übergang von Flüssigkeit zu Feststoff. Unsere Arbeit hingegen erzeugt Spannungsmuster in einem festen Zustand, und lässt dadurch die Möglichkeit des soliden 4D-Drucks zu“, sagt XIE Tao. Die Menschheit könnte einen 3D-Drucker entwickeln, der eines Tages im Weltall funktionieren kann, plastische Einzelteile „frisst“ und komplizierte Teile „ausspuckt“. Das Forschungsteam von XIE Tao hat diesbezüglich erste Versuche unternommen.

Weitere Informationen zu diesem Projekt entnehmen Sie dem Originalartikel, der im Nature Communications publiziert wurde.

 

Editor: Chew Ian