新材料可為紅外熱成像設(shè)備提供更輕的光學(xué)器件

新材料可為熱成像設(shè)備提供更輕的光學(xué)器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，只要科學(xué)家們弄清楚這種新型材料的可靠的制造方法，他們就能利用這種能夠傳輸長(zhǎng)波紅外光的硫基聚合物，制造出新型輕質(zhì)塑料光學(xué)器件。該研究于2019年1月11日發(fā)表于ACS Macro Letters。

在上面這張熱成像圖中，如左圖，當(dāng)被1,3-二異丙苯硫聚合物覆蓋時(shí)，熱烙鐵上發(fā)出的紅外光會(huì)被阻擋；如右圖，當(dāng)被對(duì)紅外線透明的逆硫化四乙烯基錫硫醇聚合物覆蓋時(shí)，熱烙鐵發(fā)出的紅外光就不會(huì)被阻擋。圖片來源：ACS Macro Letters

聚合物一般可以透過7.4~14μm波長(zhǎng)的光。與夜視鏡類似的熱成像器件，利用這些波長(zhǎng)來探測(cè)熱信號(hào)，使軍人能夠在黑暗中識(shí)別目標(biāo)和車輛。在該波段工作的器件中的透鏡和波導(dǎo)通常由含硫、硒或碲的硫系玻璃制成，或由其它紅外（IR）透明材料（如鍺或晶體硅等）制成。但這些光學(xué)元件都比塑料光學(xué)元件更重、更貴，并且制造能耗更高。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）光學(xué)科學(xué)部門的化學(xué)家Darryl A. Boyd這樣說道：“我在文獻(xiàn)中沒有找到相關(guān)的證據(jù)表明，存在哪種聚合物能以這樣的厚度傳輸長(zhǎng)波紅外光?！贝蠖鄶?shù)厚度超過1 mm的聚合物在該波段下就不透明了，但該研究團(tuán)隊(duì)可使他們的材料在厚度超過1.5 mm時(shí)仍保持透明。這種材料也顯示出了很高的折射率；由高折射率材料制成的透鏡具有高聚焦能力，這意味著較薄的透鏡就可以獲得與較厚低折射率透鏡相同的焦距。在有機(jī)聚合物中，折射率超過1.7的材料很罕見，但是Boyd與他的團(tuán)隊(duì)使用波長(zhǎng)636.4 nm（紅色）的光測(cè)得該材料折射率為1.98，用1548.4 nm（近紅外）的光測(cè)得該材料折射率為1.94。

該研究團(tuán)隊(duì)利用一種叫做“逆硫化（inverse vulcanization）”的全新工藝制備了這種材料。標(biāo)準(zhǔn)硫化過程包括利用硫交聯(lián)來增強(qiáng)碳聚合物主鏈；而在逆硫化過程中，硫聚合物是主鏈，碳是交聯(lián)劑。Boyd的研究團(tuán)隊(duì)將四乙烯基錫（tetravinyltin）攪拌進(jìn)熔融硫，然后在125 °C到130 °C下固化三到四小時(shí)。Boyd說，這是有機(jī)金屬化合物首次被用于逆硫化，因此，這也是個(gè)早期探索，試圖了解金屬是如何影響聚合物的光學(xué)、熱或機(jī)械性能。

這種材料一開始是具有韌性的膠狀，但一天內(nèi)就會(huì)變脆了，Boyd還不知道具體原因。Boyd表示，他計(jì)劃繼續(xù)研究這個(gè)問題，并嘗試用相同的合成方法來與錫以外的金屬化合物反應(yīng)，以比較所得聚合物的特性。Boyd說，一致性是光學(xué)材料應(yīng)用中亟待解決的重要問題。另一個(gè)制造工藝問題是，聚合物中含有一些殘留的氣泡，這些氣泡在幾天內(nèi)會(huì)排出氣體，但留下了會(huì)使成像失真的孔洞。

亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）化學(xué)家Jeffrey Pyun首創(chuàng)了逆硫化技術(shù)，他稱這篇論文是“一個(gè)非常好的發(fā)現(xiàn)開端”，但他希望看到更多關(guān)于聚合物結(jié)構(gòu)特征的研究，以驗(yàn)證這種材料能否符合預(yù)期。同時(shí)，Jeffrey Pyun認(rèn)為，將聚合物用于長(zhǎng)波紅外光學(xué)是一項(xiàng)嶄新且具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，這篇論文指出了一個(gè)有前途的方向。

利物浦大學(xué)（University of Liverpool）的Tom Hasell認(rèn)為，在理解和處理這些材料方面還需做更多的工作，但這項(xiàng)工作很有前途。“不可否認(rèn)，研究結(jié)果非常棒，”Tom Hasell說，“但我認(rèn)為，相比現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它展示了更多的可能性。”同時(shí)他還補(bǔ)充道，改善材料方面仍有很多工作要做，以便制造出無缺陷、抗損壞的透鏡。