美科学家利用计算化学技术打造更经济的硫系红外塑胶透镜

麦姆斯咨询报道,美国亚利桑那大学(University of Arizona)的材料科学家Jeffrey Pyun曾在五年前,向光学科学家Robert Norwood展示了他的第一代橙色塑胶透镜。Norwood当时回应:“伙计,现在已不是60年代了,没人想要橙色的眼镜。”

美国亚利桑那大学

此后几年间,Puyn领导的团队改进了这种材料,并创造出新一代透镜。这种塑胶是一种利用提炼化石燃料产生的废料锻造而成的含硫聚合物,它对于透镜、窗口和其他需要传送红外辐射(IR)的器件来说非常有用,而红外辐射可让热量“显形”。该研究于2019年9月20日发表于Angewandte Chemie期刊,论文地址为:https://doi.org/10.1002/ange.201910856

美国亚利桑那大学化学和生物化学系教授、开发该聚合物的实验室负责人Pyun认为:“红外成像技术已广泛应用于夜视和热能追踪导弹等军事应用。但对普通消费者和交通部门来说,成本限制了这项技术的大量生产及应用。”

美国亚利桑那大学光学科学学院(James C. Wyant College of Optical Sciences)教授Norwood说,这种新型透镜材料可使消费者更易获得红外相机和传感器相关器件。红外器件的潜在消费类应用包括经济型自动驾驶汽车和用于安全或消防的家庭热成像应用。

与2014年开发的第一代中红外硫塑胶透镜相比,这种新型聚合物更强、耐温性更好。这种新型透镜拥有更宽的光谱窗口,波长可延伸至长波红外光谱,同时比目前工业标准的锗金属透镜便宜得多。锗是一种昂贵、沉重、稀有且有毒的材料。

正是由于锗的许多缺点,Puyn实验室的研究生、本研究的第一作者Tristan Kleine认为,含硫塑胶是一种很有吸引力的替代材料。然而,制造这种透明的塑胶是个棘手的问题。

提升有益光学特性的成分(如硫-硫键等),也会降低材料的强度和耐温性。Kleine说,由于几乎所有有机分子都能吸收红外辐射,因此为了增加材料的强度而额外加入的有机分子,会导致其对红外辐射的透明度降低。

为了克服这一挑战,Kleine与化学研究生Meghan Talbot以及化学与生物化学教授Dennis Lichtenberger合作,利用计算机模拟设计出不吸收红外辐射的有机分子,并预测了候选材料的透明度。

Kleine说:“在实验室里逐一测试这些材料可能要花上几年的时间,但是我们利用这种新方法大大加速了新材料的设计。”

锗需要超过1700华氏度的温度才能熔化、成形;但是凭借硫聚合物特殊的化学组成,硫聚合物透镜可在更低的温度下塑形。

Pyun补充道:“这种新型含硫塑胶的主要优点在于,它可在比锗低得多的温度下加工形成用于红外摄像头或传感器的有效光学元件,同时仍能保持良好的热机械性能,以防止开裂或划痕。这种新材料可以开辟很多之前无法实现的新可能。”

Norwood还说:“这种材料的可靠性基本与常规用于眼镜的光学聚合物相当。”

该团队正与Tech Launch Arizona公司合作,将这项研究转化为可实际应用的技术。

“在红外波段,人类就像圣诞树一样会发光,”Pyun解释称,“因此,当我们思考物联网和人机接口时,使用红外传感器将成为探测人类行为和活动的非常重要的方式。”

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