导读
近日，来自意大利比萨高等师范学校NEST研究中心和比萨大学物理系的研究团队开发了基于螺吡喃（SP）和二芳基乙烯衍生物（BTF6）的3D可打印光致变色材料，通过数字光处理（DLP）技术制备具有动态光响应特性的器件。这些材料可通过紫外（UV）和绿光照射实现可逆的颜色转换与荧光调控，表现出10²次循环后70%-85%的性能保持率、BTF6体系12个月的长期稳定性，并成功演示了全光算术运算（如5+7=12、20÷6）和逻辑门（NOT、NOR）功能。本研究首次实现了3D打印光致变色材料的全光计算应用，为构建多维光计算、传感和物理智能平台奠定了基础。
该研究成果以“All-optical processors by 3D printable photochromic materials”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。论文通讯作者为Dario Pisignano和Andrea Camposeo，论文第一作者为Francesca D’Elia。
研究背景
1、刺激响应材料的需求：现代技术对可通过外部刺激（如光、热、电）调控物理化学性质的材料需求迫切，这类材料在智能器件、数据存储和自适应系统中具有核心作用。
2、光致变色材料的潜力：光致变色分子（如SP、二芳基乙烯）可通过光照射实现可逆异构化，进而调控吸收光谱和荧光特性，已被用于光开关、数据存储和逻辑门，但传统体系多局限于溶液或平面薄膜，缺乏3D结构设计能力。
3、3D打印技术的机遇：3D打印（如DLP）可构建复杂三维结构，但现有3D打印光致变色材料尚未实现高效光控信号处理功能，且面临循环稳定性差（<100次循环）、存储时间短（<1小时）等问题。
4、全光计算的挑战：传统电子计算受限于光速瓶颈，全光计算需开发可集成、低能耗、高稳定性的光响应材料，而3D打印为构建多维光处理器提供了新途径。
研究亮点
1、开发3D可打印光致变色材料：将SP和BTF6分子嵌入光固化聚合物基质，通过DLP技术制备具有精确三维结构的器件。
2、实现光控动态信号调控：通过UV/绿光序列控制材料的光异构化，实现对透射光强度的时空精准调控（动态范围>1个数量级）。
3、验证全光计算功能：基于材料的光响应特性，演示算术运算（加减乘除）和逻辑门（NOT、NOR），并探索3D集成架构（如螺旋结构并行处理器）。
4、优化稳定性与能效：提升材料电阻疲劳的循环 （>100次循环）和长期存储能力（>1个月），降低运算能耗（<30 mJ/cm2）。
研究亮点
图1系统展示了两种3D打印光致变色材料的分子结构、宏观变色效果及光谱特性。图1a和b分别为螺吡喃（SP）与二芳基乙烯衍生物（BTF6）的分子结构，其中SP在紫外光（UV）照射下从无色开环结构（SP）异构为紫色部花青（MC），而BTF6则从无色开环（o-BTF6）转化为红色闭环（c-BTF6）。图1c和d通过实物照片对比了含SP和BTF6的3D打印样品（如长方体）在UV照射前后的颜色变化，未照射时均为无色透明，照射后分别呈现深紫和红色。图1e和f进一步展示了金字塔形打印结构的变色与荧光特性：UV照射后，SP/MC体系发出654 nm红色荧光，BTF6体系发出617 nm橙色荧光，验证了分子在3D打印后仍保持光致变色与荧光活性。图1g和h的透射光谱显示，UV照射后SP/MC在565 nm处出现新吸收峰，BTF6在535 nm处出现吸收峰，且绿光照射可完全恢复初始光谱，证明两种材料均具有可逆光响应特性。
图1. 3D可打印光致变色材料的结构与光学特性
图2聚焦材料的循环稳定性和热弛豫行为，是评估其实际应用潜力的关键数据。图2a和b记录了617 nm探针光透过SP/MC和BTF6样品的强度变化，显示UV照射导致透射光强度骤降，绿光照射后恢复，呈现周期性“开关”响应。图2c和d通过102次UV/绿光循环实验发现，SP/MC体系的透射强度差（绿光-UV照射后）仍保持初始值的70%，而BTF6体系更优，保持率达85%，表明BTF6具有更优异的抗疲劳性能。图2e和f对比了暗态下的热弛豫：SP/MC样品在1小时内几乎完全恢复至无色状态，而BTF6样品在12个月后吸收光谱无显著变化，证明BTF6的闭环异构体具有极高的热稳定性，可满足长期信息存储需求。
图2. 光致变色材料的稳定性与回复转换性能
图3验证了材料在空间和时间维度上精确控制光信号的能力。实验通过阴影掩模选择性曝光BTF6打印样品（图3a），实现了复杂图案的“写入”与“擦除”：图3b-g显示，UV照射可在样品表面生成特定颜色区域（如条纹、斑点），而绿光可选择性消除这些区域，空间分辨率达毫米级。图3h-j定量分析了光传播调控效果：通过改变UV曝光时间（2-40秒）和曝光区域长度（1-15 mm），动态衰减系数（αd）可调控范围达1个数量级，且符合指数衰减规律。这一结果表明，通过组合UV和绿光曝光，可实现对光信号强度的多维精准调控，为构建光处理器提供了核心性能支撑。
图3. 3D打印光致变色器件对光传播的时空调控
图4展示了材料在全光计算中的应用，首次实现了基于3D打印光致变色体系的算术运算。图4a记录了SP/MC器件在20次UV脉冲照射下的透射强度变化：每次UV脉冲使材料逐步转化为MC态，透射光强度阶梯式下降，绿光照射可完全复位初始状态。基于此特性，研究实现了加法（5+7=12）和除法（20÷6）运算：以加法为例（图4b-e），通过UV脉冲数量对应加数（5+7=12次脉冲），当透射强度降至阈值（Ith/I0=0.71）时发送绿光复位脉冲，复位次数（1次）代表十位，最终强度（0.92）代表个位，实验结果与理论计算完全一致（图4f）。除法运算则通过设置阈值为除数（6），复位次数为商（3），剩余强度为余数（2），验证了材料的逻辑计算能力。
图5提出了3D集成光处理器的新架构，突破平面器件的功能局限。图5a-d展示了螺旋楼梯状3D打印结构：单器件含12级台阶（每级厚0.46 mm），可垂直堆叠（图5b）或阵列排列（图5c），实现多通道并行处理。图5e-h通过局部UV曝光证明，每级台阶可独立光致变色，形成空间分离的“逻辑单元”。基于此，研究构建了NOR逻辑门：将两个螺旋结构串联（图5i），当任一输入UV信号（“1”）时，对应台阶变为有色态，探针光强度衰减（输出“0”）；仅双输入为“0”时输出“1”，实验数据与逻辑真值表完全吻合（图5j）。该架构可类比算盘的“档位”，通过绿光复位脉冲实现进位运算，为构建多位数计算系统奠定了基础，展示了3D打印在光计算集成化中的独特优势。
图4：基于3D打印光致变色器件的全光算术运算
图5：垂直堆叠3D打印光致变色处理器的并行运算架构
总结与展望
本研究成功开发了基于SP和BTF6的3D可打印光致变色材料，通过DLP技术制备的器件具有以下核心性能：1）稳定性：BTF6体系10²次循环后性能保持85%，12个月存储无衰减；2）光响应速度：UV异构化（30秒）和绿光恢复（70秒），支持 kHz级运算速率；3）计算功能：实现加减乘除算术运算和NOT/NOR逻辑门，能量效率10-30 mJ/cm²；4）3D集成：螺旋结构支持12通道并行处理，空间分辨率<100 μm。
未来有望从以下方向继续开展相关研究：1）材料优化：开发新型光致变色分子（如偶氮苯衍生物）以提升循环寿命（目标>103次）和响应速度（<100 ms）。2）结构设计：探索更复杂3D架构（如光子晶体耦合器件），实现光信号的空间叠加与干涉计算。3）功能扩展：集成荧光成像模块，开发“计算-存储-成像”一体化器件，用于生物传感和量子通信。4）产业化潜力：结合高速3D打印技术（如连续液体界面生产），推动器件制备成本降低（目标<$1/cm³），加速全光计算芯片的实用化。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01974-z
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