Materiali fotocromatici stampati in 3D per il calcolo tutto-ottico
I ricercatori del laboratorio NEST, della Scuola Normale Superiore e dell’Università di Pisa hanno messo a punto una famiglia di polimeri fotocromatici stampabili in 3D che possono eseguire operazioni aritmetiche e logiche usando solo luce, senza elettronica tradizionale. L’idea è trasformare un semplice “pezzo” di materiale in un dispositivo capace di memorizzare, elaborare e cancellare informazioni sfruttando variazioni del proprio stato ottico, controllate con fasci luminosi opportunamente modulati.
Chi ha condotto lo studio e dove è stato pubblicato
Il lavoro è firmato da Francesca D’Elia, Lorenzo Lavista, Sibilla Orsini, Andrea Camposeo e Dario Pisignano, attivi tra NEST, Scuola Normale Superiore e Università di Pisa. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Light: Science & Applications, in un articolo dedicato ai processori tutto-ottici basati su materiali fotocromatici stampabili in 3D. Questo colloca la ricerca in un contesto di alto profilo nel settore dell’ottica avanzata e della fotonica integrata, dove la possibilità di spostare parte del calcolo dal dominio elettronico a quello ottico è considerata una direzione di sviluppo strategica.
Che cosa sono i materiali fotocromatici e perché interessano l’informatica
Un materiale fotocromatico è un sistema in cui le molecole cambiano struttura quando vengono illuminate con luce di una certa lunghezza d’onda. Questo cambiamento si manifesta tipicamente come variazione di colore, modifica dell’assorbimento ottico e, in alcuni casi, comparsa o variazione di fluorescenza.
Nel contesto del calcolo tutto-ottico, questo comportamento diventa un modo per codificare stati “0/1” o livelli intermedi direttamente nella trasmissione della luce attraverso il componente stampato in 3D: maggiore assorbimento corrisponde a un segnale attenuato, minore assorbimento a un segnale più intenso. La possibilità di controllare questi stati con sequenze precise di impulsi luminosi rende i materiali fotocromatici candidati interessanti per memorie ottiche, logica booleana e dispositivi di elaborazione analogica.
La matrice polimerica: BEDMA e TPO come “infrastruttura” del dispositivo
Alla base dei nuovi dispositivi c’è una matrice polimerica fotopolimerizzabile, composta da BEDMA (bisfenolo A etossilato dimetacrilato), un oligomero che, una volta reticolato con luce UV, fornisce un solido trasparente nel visibile e meccanicamente stabile, e dal fotoiniziatore TPO (diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide), che permette di innescare la polimerizzazione del BEDMA durante la stampa tramite esposizione UV.
Questa combinazione consente di ottenere oggetti 3D otticamente trasparenti, con geometria ben definita e compatibili con la tecnologia di stampa 3D DLP (Digital Light Processing), che utilizza proiezioni di luce per solidificare selettivamente strati di resina. La matrice funge da “scheletro” trasparente che ospita le molecole fotocromatiche, permettendo loro di lavorare come elementi attivi senza compromettere la qualità ottica del componente.
Le due famiglie di molecole fotocromatiche: spiropirano e diaryletene
Nel BEDMA sono state disperse due diverse famiglie di molecole fotocromatiche:
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uno spiropirano (SP), che in seguito a irraggiamento UV può trasformarsi in una forma colorata (merocianina) con forte assorbimento e fluorescenza;
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un derivato diaryletene (BTF6), noto per la sua elevata stabilità ciclica e la capacità di passare tra stati colorato e incolore in modo reversibile.
Le due molecole sono pensate come “mattoni funzionali” con proprietà complementari: lo spiropirano offre un forte contrasto di assorbimento e fluorescenza, utile per modulare e leggere i segnali, mentre il diaryletene garantisce una maggiore resistenza alla fatica e una buona stabilità a lungo termine delle informazioni opticamente scritte nel materiale.
Stampa 3D DLP: oggetti trasparenti con proprietà ottiche programmabili
I campioni sono stati realizzati con stampa 3D DLP, una tecnologia in cui strati di resina liquida vengono solidificati tramite proiezione di immagini UV. In questo caso, la presenza delle molecole fotocromatiche non compromette la trasparenza nel visibile, caratteristica essenziale per usare il pezzo come componente ottico attraversato da luce-sonda.
Le misure spettroscopiche mostrano che, nella forma colorata, lo spiropirano presenta un picco di assorbimento intorno a 565 nm, mentre il diaryletene BTF6 si colloca attorno a 535 nm. Le emissioni fluorescenti si trovano rispettivamente vicino a 654 nm per lo spiropirano in forma merocianina e a circa 617 nm per la forma chiusa del diaryletene. La ripetibilità del passaggio tra stati incolori e colorati viene mantenuta per molti cicli di commutazione con luce UV e verde, con un degrado limitato delle prestazioni, segno che la combinazione matrice-fotocromi è compatibile con l’uso come elemento di calcolo ottico ciclico.
Stabilità nel tempo e resistenza alla fatica
Durante i test, i dispositivi basati su spiropirano conservano una quota significativa del contrasto di trasmissione iniziale dopo numerosi cicli, mentre quelli basati sul diaryletene mostrano una resistenza ancora maggiore. In condizioni di immagazzinamento al buio per periodi dell’ordine di un anno, i campioni con BTF6 mantengono sostanzialmente inalterate le loro caratteristiche ottiche.
Questi risultati indicano che le informazioni scritte nella materia attraverso schemi di illuminazione possono essere conservate per tempi lunghi, con una degradazione contenuta, aspetto chiave per memorie ottiche e sistemi di calcolo che si basano su ripetute operazioni di scrittura e cancellazione.
Scrivere, cancellare e riscrivere informazioni con maschere di luce
I ricercatori hanno dimostrato che, illuminando selettivamente aree del campione con maschere d’ombra e sequenze di luce UV e verde, è possibile scrivere pattern colorati localizzati all’interno del pezzo 3D, cancellarli riportando il materiale alla forma incolore e riscrivere nuovi schemi nella stessa regione.
La luce agisce quindi come uno strumento di scrittura che modella la distribuzione spaziale dell’assorbimento all’interno del volume del dispositivo. Una luce-sonda alla lunghezza d’onda corrispondente ai massimi di assorbimento permette di leggere l’informazione misurando l’intensità trasmessa. In questo modo, il pezzo stampato in 3D funziona come una memoria ottica analogica, dove il grado di attenuazione dipende dalla storia di esposizione alla luce.
Operazioni aritmetiche tutto-ottiche: somma e divisione con impulsi UV e verdi
Una parte centrale del lavoro riguarda la dimostrazione di operazioni aritmetiche usando un singolo dispositivo fotocromatico. Il principio è il seguente:
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ogni impulso di luce UV rappresenta un incremento numerico, perché converte progressivamente il materiale nella forma più assorbente e riduce la trasmissione;
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quando il livello di attenuazione supera una soglia, si invia un impulso di luce verde che riconverte le molecole allo stato incolore, effettuando una sorta di “reset” del dispositivo.
Con una sequenza controllata di impulsi UV (incrementi) e verdi (reset) il dispositivo è in grado di eseguire operazioni come una somma, in cui il numero di impulsi UV applicati e i reset corrispondono al modo in cui l’operazione viene contabilizzata, oppure una divisione, in cui il numero di reset indica la parte intera del risultato e lo stato residuo di attenuazione rappresenta il resto.
La lettura del risultato avviene misurando il livello di trasmissione della luce, direttamente collegato al numero di impulsi accumulati e ai reset effettuati.
Logica booleana e architetture a più dispositivi
Gli stessi materiali sono stati impiegati per implementare funzioni logiche. Un singolo dispositivo può agire come porta NOT, producendo un’uscita alta (luce trasmessa elevata) in assenza di UV e un’uscita bassa quando il dispositivo è stato portato allo stato assorbente. Collegando due dispositivi in serie, è possibile ottenere una porta NOR, in cui il segnale in uscita viene attenuato se uno qualunque dei dispositivi è stato attivato dalla luce UV.
Sono stati inoltre realizzati array di elementi fotocromatici disposti in geometrie complesse, come spirali stampate in 3D, ciascuna contenente più unità di calcolo indirizzabili. Alcune configurazioni si comportano in modo analogo a un abaco ottico, in cui diversi moduli contano impulsi e reset su scale differenti, dimostrando il potenziale per operazioni multi-digit e calcolo parallelo.
Efficienza energetica e confronto con materiali inorganici
Un elemento quantitativo rilevante riguarda l’energia luminosa necessaria per portare il dispositivo alla soglia di commutazione utile per il calcolo, con valori tipicamente compresi tra circa 10 e 30 mJ/cm². Questi livelli risultano inferiori a quelli richiesti da dispositivi analoghi basati su materiali inorganici a cambiamento di fase, indicando la possibilità di realizzare processori organici a luce meno intensa, con minori vincoli sulla potenza degli impulsi luminosi da generare.
Perché la stampa 3D è cruciale in questo approccio
L’uso della stampa 3D DLP non è un dettaglio secondario: la possibilità di modellare il materiale fotocromatico in forme tridimensionali consente di integrare più funzioni all’interno dello stesso oggetto (per esempio, aree dedicate a memoria, logica e interconnessioni ottiche), realizzare strutture sovrapposte verticalmente che sfruttano il volume per aumentare la densità di calcolo, e progettare percorsi ottici interni e geometrie che guidano la propagazione della luce.
Questo avvicina tali dispositivi alla logica delle circuiterie fotoniche 3D e si inserisce in una linea di ricerca più ampia, in cui si esplorano materiali foto-attivi stampati in 3D per sensori, micro-oggetti funzionali e componenti ottici, mettendo in relazione chimica dei materiali, progettazione ottica e fabbricazione additiva.
Applicazioni possibili e prospettive
In prospettiva, materiali come quelli sviluppati da NEST, Scuola Normale Superiore e Università di Pisa potrebbero essere utilizzati per moduli di calcolo ottico a bassa potenza integrabili con sorgenti luminose compatte, memorie ottiche tridimensionali in cui la distribuzione spaziale della trasmissione codifica informazioni, sensori fotonici riconfigurabili e componenti per ottica integrata organica, in cui strutture 3D stampate includono filtri, attenuatori e unità logiche nello stesso blocco di materiale.
Il fatto che tutto ruoti attorno a un sistema organico stampabile apre la possibilità di produrre questi dispositivi con processi di fabbricazione compatibili con la stampa additiva su scala di laboratorio e potenzialmente industriale, lasciando spazio a ulteriori ottimizzazioni nella chimica delle molecole fotocromatiche, nella scelta della matrice e nel design delle architetture tridimensionali.
