使用計(jì)算化學(xué)來(lái)生產(chǎn)更便宜的紅外塑料鏡片

五年前，當(dāng)亞利桑那大學(xué)材料科學(xué)家杰弗里·龐(Jeffrey Pyun)向光學(xué)科學(xué)家羅伯·諾伍德(Robert Norwood)展示了他的第一代橙色染色塑料鏡片時(shí)，他回答說(shuō)：“這不是上世紀(jì)60年代。沒(méi)人要橙色眼鏡。”

此后的幾年中，由Puyn領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對(duì)材料進(jìn)行了改進(jìn)，并創(chuàng)造了下一代鏡片。這種塑料是一種由硫磺化的聚合物制成的硫基聚合物，它是通過(guò)精煉化石燃料而產(chǎn)生的廢料鍛造而成，非常適合用于透鏡，窗戶(hù)和其他需要透射紅外光或IR的設(shè)備，使紅外光可見(jiàn)。

化學(xué)與生物化學(xué)系教授，負(fù)責(zé)研發(fā)這種聚合物的實(shí)驗(yàn)室的Pyun說(shuō)：“紅外成像技術(shù)已被廣泛用于軍事應(yīng)用，例如夜視和熱導(dǎo)導(dǎo)彈。” “但是對(duì)于消費(fèi)者和運(yùn)輸部門(mén)來(lái)說(shuō)，成本限制了這項(xiàng)技術(shù)的大批量生產(chǎn)。”

James C. Wyant光學(xué)科學(xué)學(xué)院教授Norwood表示，這種新的鏡頭材料可以使紅外攝像機(jī)和傳感器設(shè)備更容易為消費(fèi)者所用。潛在的消費(fèi)者應(yīng)用包括經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)駕駛汽車(chē)和用于安全或防火的家用熱成像。

與2014年開(kāi)發(fā)的對(duì)中紅外波長(zhǎng)透明的第一代硫磺塑料相比，這種新型聚合物更堅(jiān)固，更耐高溫。新鏡片對(duì)更寬的光譜窗口透明，并延伸到長(zhǎng)波紅外，并且比目前由鍺制成的金屬基鏡片的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)便宜得多，鍺是昂貴，笨重，稀有和有毒的材料。

由于鍺的許多缺點(diǎn)，特恩·克萊恩(Tristan Kleine)是普恩實(shí)驗(yàn)室的研究生，也是該論文的第一作者，他認(rèn)為硫基塑料是一種有吸引力的替代品。然而，制造紅外透明塑料的能力是一項(xiàng)棘手的事情。

產(chǎn)生有用的光學(xué)性質(zhì)的組分，例如硫-硫鍵，也損害了材料的強(qiáng)度和耐熱性。此外，由于幾乎所有有機(jī)分子都吸收紅外光，因此添加額外的有機(jī)分子以提高材料強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致透明度降低，Kleine說(shuō)。

為了克服這一挑戰(zhàn)，Kleine與化學(xué)研究生 Meghan Talbot和化學(xué)與生物化學(xué)教授Dennis Lichtenberger合作，使用計(jì)算模擬來(lái)設(shè)計(jì)不吸收IR并預(yù)測(cè)候選材料透明性的有機(jī)分子。

Kleine說(shuō)：“在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這些材料可能要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間，但是我們能夠使用這種方法大大加快新材料的設(shè)計(jì)。”

鍺需要超過(guò)1,700華氏度的溫度才能熔融和成形，但是由于其化學(xué)成分，硫聚合物鏡片可以在低得多的溫度下成形。

“這些新的硫基塑料的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在比鍺低得多的溫度下輕松地將這些材料加工成對(duì)相機(jī)或傳感器有用的光學(xué)元件，同時(shí)仍保持良好的熱機(jī)械性能以防止破裂或刮擦，” Pyun說(shuō)。“這種新材料剛剛檢查了很多我們以前無(wú)法找到的盒子。”

諾伍德補(bǔ)充說(shuō)：“它的可靠性基本上等同于通常用于眼鏡的光學(xué)聚合物。”

該團(tuán)隊(duì)正在與Tech Launch Arizona合作，將研究成果轉(zhuǎn)化為可行的技術(shù)。

龐說(shuō)：“人類(lèi)像紅外線(xiàn)中的一棵圣誕樹(shù)一樣發(fā)光。” “因此，當(dāng)我們考慮物聯(lián)網(wǎng)和人機(jī)界面時(shí)，使用紅外傳感器將成為檢測(cè)人類(lèi)行為和活動(dòng)的一種非常重要的方式。”

特拉華大學(xué)和漢城國(guó)立大學(xué)的研究人員也對(duì)該論文做出了貢獻(xiàn)，該論文今天發(fā)表在《Angewandte Chemie》雜志上。