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(lǐng)域為開發(fā)新產(chǎn)品和解決技術(shù)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(shù)，模擬了著名的藍色莫爾斐蝴蝶的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的形態(tài)及其藍色翅膀表面的光學特性。

生物模擬領(lǐng)域的研究由Applied Laser Technologies at Ruhr-Universität Bochum (RUB)應(yīng)用激光技術(shù)的研究人員進行，由Andreas Ostendorf教授和Cemal Esen教授領(lǐng)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(lǐng)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(shù)，可以加工所有三維感光樹脂。與傳統(tǒng)的打印技術(shù)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(jié)構(gòu)，而無需支撐結(jié)構(gòu)。此外，2PP能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率，因為單個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。通過這種方式，他們能夠模仿藍色變形蝶的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)顏色，用于防偽應(yīng)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(shè)計了他們的蝴蝶靈感結(jié)構(gòu)。重新設(shè)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(jié)論，他們可以通過僅在微尺度上改變其層次結(jié)構(gòu)的幾何形狀，同時仍在納米尺度上模仿蝴蝶的結(jié)構(gòu)，來控制角度不敏感顏色出現(xiàn)的方向。

由仿生2PP結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的藍色結(jié)構(gòu)顏色及其光學特性。

例如，作者提出的新穎設(shè)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(shù)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(jié)合來模擬自然界的各種功能結(jié)構(gòu)。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(yīng)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