靈感源自大自然3D印花表面

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，為了在極端的環(huán)境中生存，許多動物和植物已經(jīng)發(fā)展出了我們只能從電影中的超級英雄那里才能知道的卓越能力。

△圖片示意性地顯示了模仿微小圣誕樹的圖案，這些圣誕樹產(chǎn)生了著名的藍色莫爾斐蝴蝶的顏色。來源：RUB

為了在極端的環(huán)境中生存，許多動物和植物已經(jīng)發(fā)展出了我們只能從電影中的超級英雄那里才能知道的卓越能力。在大多數(shù)情況下，它們的能力是基于其表面的非凡特性。模仿這些特性在工程領域為開發(fā)新產(chǎn)品和解決技術問題提供了巨大的潛力。波鴻（Bochum）和基爾（Kiel）的研究團隊成功地利用一種稱為雙光子聚合（2PP）的高精度3D打印技術，模擬了著名的藍色莫爾斐蝴蝶的結構顏色。研究人員在2022年9月2日《Journal of Optical Microsystems》上發(fā)表的一篇論文中展示了他們的最新發(fā)現(xiàn)。

M. didius表面結構的形態(tài)及其藍色翅膀表面的光學特性。

生物模擬領域的研究由Applied Laser Technologies at Ruhr-Universität Bochum (RUB)應用激光技術的研究人員進行，由Andreas Ostendorf教授和Cemal Esen教授領導，Kiel University (CAU)功能形態(tài)學和生物力學小組的研究人員由Stanislav Gorb教授領導。

以生物為靈感的圣誕樹的3D打印

2PP是一種基于激光的打印技術，可以加工所有三維感光樹脂。與傳統(tǒng)的打印技術不同，它可以使用虛擬計算機模型創(chuàng)建復雜而真實的3D結構，而無需支撐結構。此外，2PP能夠實現(xiàn)高分辨率，因為單個結構特征可以測量到100納米以下的尺寸。這個數(shù)字大約相當于人類頭發(fā)厚度的千分之一。

用干涉輔助2PP模擬M. didius板層脊。

2PP的3D打印能力使研究人員能夠在微觀和納米尺度上生成層次結構。通過這種方式，他們能夠模仿藍色變形蝶的結構顏色，包括它們非凡的光學特性。蝴蝶的顏色是由其上翼表面上的小圣誕樹狀結構形成的。此外，光線和圣誕樹之間的復雜物理現(xiàn)象使人們能夠觀察到幾乎對角度不敏感的藍色。RUB研究員Gordon Zyla表示：“這非常令人驚訝，因為通常結構顏色在由類似的物理現(xiàn)象（例如折射）產(chǎn)生時，看起來就像彩虹一樣閃耀。”

仿生結構顏色，用于防偽應用
在他們目前發(fā)表在《Journal of Optical Microsystems》上的工作中，研究人員根據(jù)以前的出版物成功地重新設計了他們的蝴蝶靈感結構。重新設計使他們能夠均勻地或僅從特定方向觀察到不受角度影響的藍色。為此，他們首先分析了加州大學Morpho didius蝴蝶翅膀表面的光學特性和形態(tài)。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，他們得出結論，他們可以通過僅在微尺度上改變其層次結構的幾何形狀，同時仍在納米尺度上模仿蝴蝶的結構，來控制角度不敏感顏色出現(xiàn)的方向。

由仿生2PP結構產(chǎn)生的藍色結構顏色及其光學特性。

例如，作者提出的新穎設計適合制造高度復雜的防偽特征。總的來說，他們的研究表明了2PP技術在仿生學中的巨大潛力。在這種情況下，作者認為，可以使用2PP與新型光敏材料相結合來模擬自然界的各種功能結構。因此，在生物體中發(fā)現(xiàn)的其他超級能力也可以用于不同的工程應用。

來源：Two-photon polymerization as a potential manufacturing tool for biomimetic engineering of complex structures found in nature, Journal of Optical Microsystems (2022). DOI: 10.1117/1.JOM.2.3.031203