据外媒报道,5年前,美国亚利桑那大学(University of Arizona)材料科学家Jeffrey Pyun向光学科学家Robert Norwood展示了其研发的第一代橙色塑料透镜。Robert Norwood回复表示:“没人会想要橙色的透镜。”自此之后,Puyn领导了一支团队,改进材料,创造了新一代透镜。此种塑料是一种含硫聚合物,由提炼化石燃料产生的废物锻造而成,特别适合用于透镜、窗户和其他需要传输红外线(IR)的设备。
Pyun是化学和生物化学系教授,领导实验室研发了此种聚合物。他表示:“红外成像技术已经广泛应用于军事,如夜视和热寻导弹。但是对于消费品和运输领域而言,此种技术成本过高,限制了批量生产。”
据Norwood教授所说,应用于透镜的新材料可让IR摄像头和传感器设备的价格更低,方便消费者使用。潜在的消费应用包括经济型
自动驾驶汽车以及用于安全或防火的家庭热成像。
与2014年研发的第一代红外中波长透明含硫塑料相比,新聚合物更坚固、更耐热。此种新透镜在更宽的光谱窗口范围内是透明的,光谱可延伸至长波IR,而且远比现有工业标准的锗金属透镜便宜。锗是一种昂贵、很重、稀有且有毒的材料。
由于锗具有诸多缺点,Puyn实验室的研究生兼论文第一作者Tristan Kleine认为,含硫塑料是一种具有吸引力的替代材料。不过,制造透明的塑料是一件很棘手的事情。
Kleine表示,产生有用的光学特性的成分,如硫-硫键,同时也会损害材料的强度和耐热性。此外,由于几乎所有的有机分子都会吸收IR光线,为了增加材料的强度所增加的其他有机分子又会导致透明度降低。
为了克服上述挑战,Kleine与化学系研究生Meghan Talbot以及化学与生物化学系教授Dennis Lichtenberger合作,利用计算机模拟设计了不吸收IR的有机分子,并且预测了候选材料的透明度。Kleine表示:“如果在实验室中测试此类材料可能需要花上好几年的时间,但是利用此种方法可以极大地加快新材料的设计速度。”
需要超过1700华氏度(约合926.67摄氏度)才能将锗熔化、成形。不过,由于含硫聚合物透镜含有特殊的化学物,可以在更低的温度下成形。
Pyun表示:“此种新型含硫塑料的主要优点之一是,可以在比锗更低的温度下,被加工成有用的光学元件,用于摄像头或传感器,同时还能够保持良好的热机械性能,防止开裂或出现划痕。” Norwood补充表示:“该种材料的可靠性基本相当于常规上用于眼镜的光学聚合物。”