一项突破性的研究成果近日发表于《Light: Science & Applications》期刊，由NEST实验室、比萨高等师范学院及比萨大学的研究团队共同开发出一种可用于3D打印的光致变色聚合物材料，能够仅通过光线实现算术与逻辑运算。

该材料选用双酚A乙氧基二甲基丙烯酸酯（BEDMA）作为透明且可紫外固化的基体，并植入了两类光致变色分子体系：螺吡喃类化合物SP以及二芳基乙烯衍生物BTF6。这两种分子分别在紫外光和绿光照射下实现无色与有色态之间的可逆转变，从而调控打印结构的光学透过率。



样品通过数字光处理（DLP）3D打印技术制备，其几何结构均匀且保持了良好的光学透明性与荧光性能。紫外诱导的有色态吸收峰分别位于565纳米（SP）与535纳米（BTF6），荧光发射峰值则在654纳米和617纳米。

在经历102次紫外/绿光循环照射后，材料仍表现出优异的稳定性：基于SP的器件保持了约70%初始透射对比度，而含BTF6的打印样品则维持了85%。BTF6器件在黑暗环境中存放十二个月后仍保留原有光学特性，展现出长期光化学稳定性。

研究团队证实，通过空间选择性照明可动态重配置3D打印材料内部的光传播路径。利用遮罩对特定区域进行交替紫外与绿光曝光，实现了着色区域的写入、擦除与重写，从而实时调控打印板的光学衰减。



使用617纳米的探测光束发现，透射光强受紫外曝光时间与被照射区域长度的影响。通过精确调节这些变量，光损失系数（αd）可变化达一个数量级，使打印材料可作为光学可重构滤波器，以亚毫米级精度实现信息编码、存储与擦除。

在光学运算方面，基于SP的器件成功执行了全光学算术运算。每一束紫外脉冲代表一个递进步骤，将聚合物从透明态转为有色态以降低透射光强；达到阈值后，绿光脉冲将器件重置至初始状态。

研究团队以此完成了“5 + 7 = 12”等计算，其中紫外脉冲数量代表加数，重置事件代表进位操作。类似脉冲序列还可实现除法运算，如在“20 ÷ 6”中，重置次数与残余光强分别对应商和余数。

通过两个互相连接的器件，该系统进一步扩展至多位数运算，以分立的光强水平实现十位与个位的输出，功能类似于算盘的并列数行。



在逻辑运算方面，单个器件可充当非门（NOT gate），无紫外输入时输出透射光“1”，受照时输出“0”。两个串联器件构成或非门（NOR gate），输出光强取决于紫外输入的叠加情况。

由螺旋形状3D打印构件组成的阵列——每个包含12个SP/MC运算单元——展示了可扩展、可寻址的并行光学处理结构。

该类器件达到计算阈值所需的能量范围在每平方厘米10至30毫焦之间，比使用无机相变材料的类似操作低一个数量级。结合可逆的光致变色转换、稳定性与3D打印可制造性，该技术为开发紧凑型有机处理器提供了可能，其使用光作为输入与控制信号。

研究者指出，增材制造技术的进一步优化将有助于改善掺杂剂分散性，并实现在单一打印结构内集成多种光学元件。

这一发现为发展可扩展、低能耗、集传感、计算与存储于一体的光学电路开辟了新途径。除计算领域外，此类材料还可适用于自适应光学、数据存储与光子传感应用。



该研究由Francesca D’Elia、Lorenzo Lavista、Sibilla Orsini、Andrea Camposeo及Dario Pisignano合作完成。