14.09.2022 - Ruhr-Universität Bochum

Superficies impresas en 3D inspiradas en la naturaleza

Colores estructurales de inspiración biológica para aplicaciones contra la falsificación

Los científicos pueden utilizar la radiación láser para imprimir estructuras diminutas con gran precisión. Este método les permite imitar los superpoderes de animales y plantas y los hace accesibles para aplicaciones de ingeniería.

Para sobrevivir en hábitats extremos, muchos animales y plantas han desarrollado habilidades brillantes que, de otro modo, sólo conoceríamos por los superhéroes de las películas. En la mayoría de los casos, sus habilidades se basan en las extraordinarias propiedades de sus superficies. Imitar estas propiedades ofrece un enorme potencial en el campo de la ingeniería para desarrollar nuevos productos y resolver problemas técnicos. Equipos de investigación de Bochum y Kiel han conseguido imitar el color estructural de las famosas mariposas azules Morpho utilizando una tecnología de impresión 3D de alta precisión denominada polimerización de dos fotones (2PP). Los investigadores presentan sus nuevos hallazgos en un artículo publicado en la revista Journal of Optical Microsystems el 2 de septiembre de 2022.

El estudio en el campo de la biomimética fue realizado por investigadores del departamento de Tecnologías Láser Aplicadas de la Ruhr-Universität Bochum (RUB), dirigido por el profesor Andreas Ostendorf y el profesor Cemal Esen, y del grupo de "Morfología Funcional y Biomecánica" de la Universidad de Kiel (CAU), dirigido por el profesor Stanislav Gorb.

Impresión en 3D de árboles de Navidad de inspiración biológica

La 2PP es una tecnología de impresión basada en el láser que permite procesar resinas fotosensibles en las tres dimensiones. De este modo, a diferencia de las técnicas de impresión convencionales, es posible crear estructuras 3D complejas y reales a partir de modelos informáticos virtuales sin necesidad de estructuras de soporte. Además, la 2PP permite una alta resolución, ya que las características estructurales individuales pueden tener un tamaño de hasta 100 nanómetros. Esta cifra corresponde aproximadamente a una milésima parte del grosor de un cabello humano.

La capacidad de impresión en 3D de la 2PP permitió a los investigadores producir estructuras compuestas jerárquicamente a escala micro y nanométrica. De este modo, pudieron imitar el color estructural de las mariposas azules Morpho, incluidas sus extraordinarias propiedades ópticas. El color de las mariposas está formado por diminutas estructuras en forma de árbol de Navidad en la superficie superior de sus alas. Además, los complejos fenómenos físicos que se producen entre la luz y los árboles de Navidad permiten observar que el color azul es casi insensible al ángulo. "Esto es muy sorprendente porque normalmente el color estructural aparece iridiscente como el arco iris cuando se genera por fenómenos físicos similares, como la refracción, por ejemplo", dice el investigador de la RUB Gordon Zyla.

Colores estructurales de inspiración biológica para aplicaciones contra la falsificación

En su trabajo actual, publicado en la revista Journal of Optical Microsystems, los investigadores presentan un exitoso rediseño de sus estructuras inspiradas en las mariposas de publicaciones anteriores. Los rediseños les permitieron observar el color azul insensible al ángulo resultante de manera uniforme o sólo desde direcciones específicas. Para ello, primero analizaron las propiedades ópticas y la morfología de la superficie del ala de una mariposa Morpho didius en el CAU. A partir de sus hallazgos, dedujeron que pueden controlar la dirección en la que aparece el color insensible al ángulo cambiando la geometría de sus estructuras compuestas jerárquicamente sólo en la microescala, sin dejar de imitar las estructuras de la mariposa en la nanoescala.

Los novedosos diseños propuestos por los autores son adecuados, por ejemplo, para fabricar elementos antifalsificación de gran complejidad. En general, su investigación demuestra el gran potencial de la tecnología 2PP para su uso en biomimética. En este contexto, los autores parten de la base de que se podría imitar una gran variedad de estructuras funcionales de la naturaleza utilizando la 2PP en combinación con nuevos materiales fotosensibles. Así, otros superpoderes que se encuentran en los organismos también podrían hacerse accesibles para diferentes aplicaciones de ingeniería. Se trata, por ejemplo, de la mejora de la adherencia y la resistencia al desgaste en diversas superficies, la superhidrofobicidad, comúnmente conocida como efecto loto, u otras coloraciones utilizadas en la naturaleza como señales de advertencia, camuflaje o comunicación intrasexual.

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