使用計算化學來生產(chǎn)更便宜的紅外塑料鏡片

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

此后的幾年中，由Puyn領導的團隊對材料進行了改進，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，窗戶和其他需要透射紅外光或IR的設備，使紅外光可見。

化學與生物化學系教授，負責研發(fā)這種聚合物的實驗室的Pyun說：“紅外成像技術已被廣泛用于軍事應用，例如夜視和熱導導彈。” “但是對于消費者和運輸部門來說，成本限制了這項技術的大批量生產(chǎn)。”

James C. Wyant光學科學學院教授Norwood表示，這種新的鏡頭材料可以使紅外攝像機和傳感器設備更容易為消費者所用。潛在的消費者應用包括經(jīng)濟型自動駕駛汽車和用于安全或防火的家用熱成像。

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

由于鍺的許多缺點，特恩·克萊恩(Tristan Kleine)是普恩實驗室的研究生，也是該論文的第一作者，他認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棘手的事情。

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

為了克服這一挑戰(zhàn)，Kleine與化學研究生 Meghan Talbot和化學與生物化學教授Dennis Lichtenberger合作，使用計算模擬來設計不吸收IR并預測候選材料透明性的有機分子。

Kleine說：“在實驗室中測試這些材料可能要花費數(shù)年的時間，但是我們能夠使用這種方法大大加快新材料的設計。”

鍺需要超過1,700華氏度的溫度才能熔融和成形，但是由于其化學成分，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相機或傳感器有用的光學元件，同時仍保持良好的熱機械性能以防止破裂或刮擦，” Pyun說。“這種新材料剛剛檢查了很多我們以前無法找到的盒子。”

諾伍德補充說：“它的可靠性基本上等同于通常用于眼鏡的光學聚合物。”

該團隊正在與Tech Launch Arizona合作，將研究成果轉化為可行的技術。

龐說：“人類像紅外線中的一棵圣誕樹一樣發(fā)光。” “因此，當我們考慮物聯(lián)網(wǎng)和人機界面時，使用紅外傳感器將成為檢測人類行為和活動的一種非常重要的方式。”

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