Nature子刊：NEST研究人员开发出3D打印光致变色材料，实现全光学算术和逻辑运算
时间：2025-12-02 08:52 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
2025年12月1日，来自荷兰国家电子技术研究院 (NEST)、比萨高等师范学院和比萨大学的研究人员开发出一种可3D打印的光致变色聚合物，仅利用光即可执行算术和逻辑运算。研究表明，这些材料能够精确控制透射光的强度和空间分布，从而支持全光计算和长期信息存储系统的发展。
这项研究以题为“All-optical processors by 3Dprintable photochromic materials”的论文发表在《光：科学与应用》期刊上。
研究团队采用双酚A乙氧基化二甲基丙烯酸酯（BEDMA）制备材料。BEDMA是一种透明的紫外光固化基质，因其在可见光范围内具有良好的稳定性和透明度而被选中。二苯基（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦（TPO）被用作光引发剂。两种光致变色分子体系被引入到基质中：一种螺吡喃化合物，1′,3′-二氢-1′,3′,3′-三甲基-6-硝基螺[2H-1-苯并吡喃-2,2′-(2H)-吲哚]（SP），以及一种二芳基乙烯衍生物，1,2-双(2-甲基-1-苯并噻吩-3-基)全氟环戊烯（BTF6）。当分别暴露于紫外光（UV）和绿光下时，这两种化合物均可在无色和有色状态之间可逆切换，从而改变印刷结构的透光率。
△可3D打印的光致变色材料。图片来自《光：科学与应用》。
样品采用数字光处理（DLP）3D打印技术制备，所得物体几何形状均匀，且保持了光学透明度和荧光特性。紫外光诱导的彩色形态中，SP的吸收峰位于565纳米，BTF6的吸收峰位于535纳米；SP的部花青（MC）形式的荧光发射峰位于654纳米，BTF6的闭环形式的荧光发射峰位于617纳米。两种状态之间的重复切换在102次紫外/绿光照射循环后仍保持稳定。基于SP的器件保留了约70%的初始透射对比度，而BTF6打印的样品则保留了85%，与其它聚合物基质中的类似体系相比，表现出更优异的抗疲劳性能。BTF6器件在黑暗储存12个月后仍保持其光学特性，证实了其长期光化学稳定性。
研究人员证明，空间选择性照明可以动态地重新配置3D打印材料内部的光传播。当通过阴影掩模照射特定区域时，可以使用交替的紫外光和绿光来写入、擦除和重新写入颜色变化区域。这种方法实现了对打印板材上光衰减的实时调制。
波长为 617 纳米的探测光束表明，透射光强度取决于紫外光照射时间和照射区域的长度。这些参数控制着动态光学损耗系数 (αd)，其变化幅度可达一个数量级，具体取决于照射条件。通过精细调节这些因素，打印的光致变色材料可作为光学可重构滤波器，能够以亚毫米级的精度对信息进行编码、存储和擦除。
△利用3D打印光致变色物体实现对光传播的时空控制。图片来自《光：科学与应用》。
利用光线进行算术和逻辑运算
基于SP的器件被用于执行全光算术运算。每个紫外脉冲代表一个递增步骤，逐步将聚合物从透明状态转变为有色状态，从而降低透射光强度。一旦达到阈值，一个绿色脉冲就会将器件重置为初始的无色状态。利用这一过程，研究人员进行了诸如“5 + 7 = 12”之类的计算，其中紫外脉冲的数量对应于加数，而重置事件则表示进位运算。类似的脉冲序列可以实现除法运算，如“20 ÷ 6”所示，其中重置次数和剩余光强度分别代表商和余数。
两个相互连接的光致变色器件将这一概念扩展到了多位数运算。第一个器件执行算术序列运算，而第二个器件则计数绿色复位脉冲的数量，工作原理类似于算盘的平行行。运算系统通过离散的光电平输出十位和个位数字。逻辑功能采用相同的分子系统实现。单个器件充当非门，当没有紫外光输入时输出“1”，当有紫外光输入时输出“0”。两个串联的器件构成或非门，其输出强度取决于紫外光输入的组合。螺旋形3D打印组件阵列，每个组件包含十二个SP/MC计算单元，展示了可扩展且可寻址的并行光学处理架构。
△利用3D打印光致变色器件实现全光算术处理。图片来自《光：科学与应用》
迈向全有机光计算平台
这些器件达到计算阈值所需的能量范围为每平方厘米10至30毫焦耳，比使用无机相变材料实现的类似操作所需的能量低约一个数量级。可逆光致变色开关、稳定性以及3D打印制造技术的结合，使得利用光作为输入和控制信号的紧凑型有机处理器成为可能。
作者指出，进一步优化增材制造技术可以改善掺杂剂分散性，并允许在单个打印结构中集成多个光学元件。这些发现为构建可扩展、低能耗的光路开辟了道路，该光路可在单一材料系统中集成传感、计算和存储功能。除了计算之外，同样的材料还可以应用于自适应光学、数据存储和光子传感等领域。
△垂直堆叠的3D打印光致变色处理器。图片来自《光：科学与应用》。
这项研究由 NEST、ScuolaNormale Superiore 和比萨大学的 Francesca D'Elia、Lorenzo Lavista、Sibilla Orsini、Andrea Camposeo 和 Dario Pisignano 进行。
(责任编辑：admin)
俄勒冈州立大学研发即时固
研究人员开发出3D打印可持
解决排异反应问题！弗吉尼
最新研究：3D打印新材料可
荷兰初创公司Pegasus Mate最新内容
nano3Dprint发布
3D Systems推出Ne
3D打印超高强纳米
UCLA郑小雨教授：
意大利研究者研发
Nature发表ZrO2-S热点内容
