新材料可为红外热成像设备提供更轻的光学器件

新材料可为热成像设备提供更轻的光学器件。

据麦姆斯咨询报道，只要科学家们弄清楚这种新型材料的可靠的制造方法，他们就能利用这种能够传输长波红外光的硫基聚合物，制造出新型轻质塑料光学器件。该研究于2019年1月11日发表于ACS Macro Letters。

在上面这张热成像图中，如左图，当被1,3-二异丙苯硫聚合物覆盖时，热烙铁上发出的红外光会被阻挡；如右图，当被对红外线透明的逆硫化四乙烯基锡硫醇聚合物覆盖时，热烙铁发出的红外光就不会被阻挡。图片来源：ACS Macro Letters

聚合物一般可以透过7.4~14µm波长的光。与夜视镜类似的热成像器件，利用这些波长来探测热信号，使军人能够在黑暗中识别目标和车辆。在该波段工作的器件中的透镜和波导通常由含硫、硒或碲的硫系玻璃制成，或由其它红外（IR）透明材料（如锗或晶体硅等）制成。但这些光学元件都比塑料光学元件更重、更贵，并且制造能耗更高。

领导这项研究的美国海军研究实验室（NRL）光学科学部门的化学家Darryl A. Boyd这样说道：“我在文献中没有找到相关的证据表明，存在哪种聚合物能以这样的厚度传输长波红外光。”大多数厚度超过1 mm的聚合物在该波段下就不透明了，但该研究团队可使他们的材料在厚度超过1.5 mm时仍保持透明。这种材料也显示出了很高的折射率；由高折射率材料制成的透镜具有高聚焦能力，这意味着较薄的透镜就可以获得与较厚低折射率透镜相同的焦距。在有机聚合物中，折射率超过1.7的材料很罕见，但是Boyd与他的团队使用波长636.4 nm（红色）的光测得该材料折射率为1.98，用1548.4 nm（近红外）的光测得该材料折射率为1.94。

该研究团队利用一种叫做“逆硫化（inverse vulcanization）”的全新工艺制备了这种材料。标准硫化过程包括利用硫交联来增强碳聚合物主链；而在逆硫化过程中，硫聚合物是主链，碳是交联剂。Boyd的研究团队将四乙烯基锡（tetravinyltin）搅拌进熔融硫，然后在125 °C到130 °C下固化三到四小时。Boyd说，这是有机金属化合物首次被用于逆硫化，因此，这也是个早期探索，试图了解金属是如何影响聚合物的光学、热或机械性能。

这种材料一开始是具有韧性的胶状，但一天内就会变脆了，Boyd还不知道具体原因。Boyd表示，他计划继续研究这个问题，并尝试用相同的合成方法来与锡以外的金属化合物反应，以比较所得聚合物的特性。Boyd说，一致性是光学材料应用中亟待解决的重要问题。另一个制造工艺问题是，聚合物中含有一些残留的气泡，这些气泡在几天内会排出气体，但留下了会使成像失真的孔洞。

亚利桑那大学（University of Arizona）化学家Jeffrey Pyun首创了逆硫化技术，他称这篇论文是“一个非常好的发现开端”，但他希望看到更多关于聚合物结构特征的研究，以验证这种材料能否符合预期。同时，Jeffrey Pyun认为，将聚合物用于长波红外光学是一项崭新且具有挑战性的应用，这篇论文指出了一个有前途的方向。

利物浦大学（University of Liverpool）的Tom Hasell认为，在理解和处理这些材料方面还需做更多的工作，但这项工作很有前途。“不可否认，研究结果非常棒，”Tom Hasell说，“但我认为，相比现在已经实现的实验结果，它展示了更多的可能性。”同时他还补充道，改善材料方面仍有很多工作要做，以便制造出无缺陷、抗损坏的透镜。