可见光触发光致变色与室温磷光双功能 3D 打印

来源：EFL生物3D打印与生物制造


光响应有机功能材料中，光致变色与室温磷光（RTP）材料虽在光学领域具重要价值，但多数仅在紫外光下展现单一功能，可见光触发的双功能材料稀缺，限制了其在可擦写光打印、多模态信息加密等领域的应用。

西北工业大学的黄维院士和于涛教授团队通过局部刚性设计与主客体策略，设计出三种三苯乙烯衍生物，赋予其可见光触发光致变色与RTP双功能特性，并借助数字光处理3D打印技术制备出3D结构材料。该工作不仅为开发兼具光致变色与RTP性能的功能光敏材料提供了新策略，还为高分辨率光学多通道信息存储提供了思路，相关成果以“3D Printable Materials with Visible Light Triggered Photochromism and Room Temperature Phosphorescence”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

研究内容
1、三苯乙烯材料的分子设计
研究人员通过引入二苯并噻吩扩展 π 共轭结构，并结合卤素取代与主客体策略，设计出 DBTDpH、DBTDpF 和 DBTDpCl 三种衍生物，实现可见光（405 nm）触发的光致变色与室温磷光（RTP）双功能特性。

图1. 三苯乙烯材料 DBTDpH、DBTDpF 和 DBTDpCl 的设计示意图

2、DBTDpCl 的光物理特性表征
通过 UV-Vis 吸收光谱、光致发光（PL）光谱及延迟荧光测试，研究其在溶液、非晶态和聚合物基质中的光响应行为，结果表明材料在可见光照射下发生可逆光致变色（无色→红色），且在聚合物基质中 RTP 寿命达 103.43 ms。

图 2. DBTDpCl 的稳态 PL 光谱、延迟荧光光谱及光致变色吸收光谱变化

3、分子间相互作用与理论机制分析
利用单晶 X 射线衍射和密度泛函理论（DFT）计算，研究材料的晶体堆积模式及电子结构，结果表明 C−H・・・π、卤素键等相互作用稳定了三重态激子，卤素取代降低了 HOMO-LUMO 能隙并增强自旋 - 轨道耦合。

图3. DBTDpH、DBTDpF 和 DBTDpCl 的单晶分子间相互作用及堆积模式

图4. 材料的分子轨道分布与 RTP 机制示意图

4、3D 打印应用与多通道信息存储
通过数字光处理（DLP）3D 打印技术制备复杂结构，研究不同掺杂浓度（0.01 wt%/1 wt%）对光响应性能的影响，结果表明材料可构建高精度 3D 结构，并通过光致变色与 RTP 的协同效应实现多通道光学信息存储。

图5. 3D 打印结构的可见光响应特性及多通道信息存储应用案例

研究结论
本研究设计了首例可见光触发光致变色与室温磷光（RTP）双功能 3D 打印材料。通过分子设计策略，三苯乙烯衍生物 DBTDpH、DBTDpF 和 DBTDpCl 在溶液、非晶态及聚合物基质中均表现出可见光（405 nm）诱导的可逆光致变色（无色→红色）和明亮的黄色 RTP。主客体体系中，光敏树脂 EA/AA 基质通过抑制非辐射跃迁，将 RTP 寿命延长至 103.43 ms。借助数字光处理 3D 打印技术，材料可构建高精度个性化结构，并通过调控掺杂浓度实现多通道光学信息存储。该工作为智能光响应材料的设计提供了新策略，推动其在高分辨率 3D 打印和信息加密领域的应用。

文章来源：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00976