Các nhà nghiên cứu ở Hà Lan đã sản xuất mô hình một con bọ cánh cứng thay đổi màu sắc và một lớp vỏ sò có thể đóng mở để phản ứng với sự thay đổi độ ẩm trong không khí xung quanh. Lấy cảm hứng từ những cấu trúc óng ánh trong tự nhiên, Jeroen Sol và các đồng nghiệp tại Đại học Công nghệ Eindhoven đã chỉ ra rằng họ có thể tích hợp một tinh thể lỏng chuyên dụng vào kỹ thuật in 3D tiêu chuẩn, tạo ra các thiết bị “in 4D” phản ứng với môi trường thay đổi của chúng.

Qua hàng triệu năm, nhiều sinh vật đã tiến hóa các cấu trúc quy mô vi mô trong giải phẫu của chúng cho phép chúng thay đổi màu sắc óng ánh rực rỡ để phản ứng với các kích thích. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển loại mực có thể thay đổi màu sắc theo cách tương tự và đã bắt đầu thử nghiệm kết hợp chúng vào các cấu trúc in 3D.

Công nghệ này được gọi là in 4D, trong đó kích thước thứ tư thể hiện những thay đổi có thể đảo ngược, thay đổi theo thời gian đối với cấu trúc sau khi in. Một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong in 4D là gửi mực trực tiếp lên các cấu trúc được in 3D. Cách tiếp cận này có thể phù hợp với nhiều loại vật liệu, cũng như một loạt các nhiệt độ in, tốc độ và thiết kế đường dẫn.

Tinh thể lỏng phản ứng với những thay đổi của môi trường

Một loại mực đặc biệt hứa hẹn để in 4D là các tinh thể lỏng cholesteric (ChLC). Trong tinh thể lỏng thông thường, các phân tử chảy như một chất lỏng trong khi vẫn tự định hướng giống như một tinh thể rắn. Trong ChLCs, các phân tử được sắp xếp trên nhiều lớp thẳng đứng có thể áp dụng cấu trúc xoắn ốc theo hướng của chúng. Điều quan trọng là, các cấu trúc này có thể thay đổi dễ dàng và thuận nghịch khi phản ứng với sự có mặt của nước, một số hợp chất hóa học và lực cơ học - tất cả đều làm thay đổi các đặc tính quang học của chúng.

Trong nghiên cứu của họ, họ mô tả trong Vật liệu chức năng nâng cao, Sol và các đồng nghiệp đã lấy cảm hứng từ một loài bọ cánh cứng dài (Tmesisternus isabellae) thay đổi màu sắc óng ánh của nó khi phản ứng với độ ẩm. Để tái tạo hiệu ứng này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp mực ChLC lên mặt sau của một con bọ được in 3D, sau đó xử lý lớp này bằng axit theo cách mà cấu trúc tinh thể của nó sẽ phản ứng với độ ẩm.

Trong điều kiện độ ẩm cao, mực bị phồng lên. Điều này làm thay đổi cấu trúc phân tử xoắn ốc của nó, khiến màu sắc óng ánh rực rỡ của bọ chuyển từ xanh lục sang đỏ. Khi độ ẩm được loại bỏ, mực sẽ trở lại cấu trúc ban đầu và con bọ chuyển sang màu xanh lục trở lại.

Một trường hợp mở và đóng

Trong một thí nghiệm song song, Sol và các đồng nghiệp đã in một vỏ sò hở từ vật liệu đàn hồi ChLC dễ bị phồng lên trong độ ẩm cao. Sau đó, nhóm nghiên cứu xử lý một mặt của vỏ bằng ánh sáng để loại bỏ phản ứng độ ẩm này, trong khi xử lý mặt còn lại bằng axit như họ đã làm với bọ hung. Điều này có nghĩa là khi tiếp xúc với không khí khô, mặt được xử lý axit sẽ co lại, khiến vỏ bị đóng lại, chỉ mở ra một lần nữa khi không khí ẩm được phục hồi.

Nhóm của Sol nói rằng những hành vi có thể đảo ngược, đáp ứng kích thích này có thể truyền cảm hứng cho các ứng dụng trong công nghệ cảm biến và robot. Chúng có thể đặc biệt hữu ích trong chăm sóc sức khỏe, nơi các thiết bị in 3D có thể đeo được, giá cả phải chăng sẽ cho phép bệnh nhân theo dõi các triệu chứng của họ chỉ đơn giản bằng cách theo dõi màu sắc ánh kim biến đổi của thiết bị.