Een nieuwe vloeibare kristalinkt voor 3D-printen

Bron: Jeroen Sol photography.

Cholesterische vloeibare kristallen, een door de mens gemaakt materiaal met eigenschappen tussen vloeistoffen en vaste kristallen in kunnen de kleuren van vlindervleugels nabootsen. Vloeibare kristallen worden gebruikt in televisies en smartphones, maar toekomstige toepassingen voor sensoren in de gezondheidszorg of decoratieve verlichting zijn moeilijk omdat de materialen niet kunnen worden gebruikt voor geavanceerde, snelle productiemethoden zoals 3D-printen. De materialen zijn niet viskeus genoeg om stabiele, vaste structuren te maken, en het is moeilijk om de moleculen uit te lijnen om specifieke kleuren te produceren. Onderzoekers van de TU/e hebben deze problemen opgelost door een nieuwe lichtreflecterende vloeibaarkristalinkt te ontwikkelen die kan worden gebruikt met bestaande 3D-printtechnieken. Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.

In de natuur worden iriserende materialen, die van kleur veranderen als ze vanuit verschillende hoeken worden bekeken, aangetroffen in vlindervleugels en in parelmoer (nacre) in de binnenschaal van weekdieren.
Een door de mens gemaakte versie van deze natuurlijke materialen zijn cholesterische vloeibare kristallen, die kunnen worden gebruikt als “slimme” materialen in lichtreflectoren, schakelbare ramen en afstembare zonne-energiecollectoren.

Voor toepassingen in de gezondheidszorg, zoals zachte draagbare sensoren of decoratieve verlichting, zijn cholesterische vloeibare kristallen bij uitstek geschikt. Tot nu toe ontbrak het echter aan een eenvoudige manier om deze materialen te produceren en er objecten en apparaten van te maken.

Een nieuwe inktoplossing
Onderzoekers van de faculteit Chemical Engineering and Chemistry van de TU/e hebben in samenwerking met TNO, DSM, Brightlands Materials Center (in het DynAM-consortium) en SABIC een op de natuur geïnspireerde inkt op basis van een vloeibaarkristalelastomeer gemaakt, die via Direct-Ink-Writing (DIW) op een oppervlak kan worden 3D-geprint. Hoofdauteur van de studie is promovendus Jeroen Sol. Albert Schenning en Michael Debije van de groep Stimuli-responsive Functional Materials and Devices (SFD) leiden het onderzoeksproject.

“DIW is een extrusie-gebaseerde 3D-printtechniek waarbij een inkt laag bij laag vanuit een kleine spuitmond op een oppervlak wordt aangebracht. De huidige cholesterische vloeibaarkristalinkten kunnen niet worden geprint met DIW, dus hebben we een vloeibaarkristalinkt ontwikkeld die compatibel is met DIW”, zegt Sol.

De nieuwe vloeibaarkristalinkt heeft verschillende belangrijke eigenschappen. Ten eerste zijn de lichtreflecterende eigenschappen van de inkt afhankelijk van de nauwgezette spiraalvormige uitlijning van moleculen in het materiaal, wat een afstemming van het printproces vereist. Ten tweede kunnen de moleculen in de inkt zichzelf assembleren tot deze structuren, welke kleuren vertonen die vergelijkbaar zijn met natuurlijke iriserende materialen, zoals die in vlindervleugels. Ten derde heeft de nieuwe inkt een grotere viscositeit dan eerdere inkten, waardoor het geschikt is voor DIW-printen.

Ten slotte is de inkt nieuw, gemakkelijk te maken, gemakkelijk te verwerken en gebaseerd op materialen die eerder door de SFD-onderzoeksgroep aan de TU/e zijn ontwikkeld voor lichtreflecterende coatings, wat het nu ook 3D-printbaar maakt.

Printen met vlindervleugels
“Om de nieuwe inkt met DIW succesvol te printen, varieerden we parameters als printsnelheid en temperatuur. En om de inkt goed te laten printen, maakten we deze op basis van vloeibare kristallen met een laag molecuulgewicht”, merkt Sol op. Indrukwekkend is dat de onderzoekers de nieuwe inkt konden gebruiken om synthetische vlindervleugels te printen!

Tot grote verrassing van de onderzoekers konden zij ook de moleculaire uitlijning op nanoschaal zeer nauwkeurig regelen door de printsnelheid te variëren. Hierdoor hadden de onderzoekers meer controle over het uiterlijk en de lichtreflecterende eigenschappen van het materiaal. “Traditioneel is controle op dit niveau alleen mogelijk met zeer gespecialiseerde fabricageapparatuur, dus om dit te doen met de nieuwe inkt en DIW 3D-printen is een echte doorbraak”, zegt Sol.

Toekomstige toepassingen
Aangezien de nieuwe vloeibaarkristalinkt kan worden geprint met DIW, zou deze kunnen worden gebruikt in toekomstige printprocedures voor gepersonaliseerde medische apparatuur, zoals dunne draagbare biosensoren die visueel en kleurrijk interacteren met de drager.

“Bovendien kan de combinatie van onze nieuwe inkt en DIW worden gebruikt om de gespecialiseerde optische structuren te printen die nodig zijn voor augmented reality headsets waarin levensechte en kunstmatige beelden naadloos worden gecombineerd”, zegt Sol opgewonden. “De nieuwe materialen zouden hun weg kunnen vinden naar de Holo-Lenzen van de toekomst – dat zou pas iets buitengewoons zijn!”