使用计算化学来生产更便宜的红外塑料镜片

五年前，当亚利桑那大学材料科学家杰弗里·庞(Jeffrey Pyun)向光学科学家罗伯·诺伍德(Robert Norwood)展示了他的第一代橙色染色塑料镜片时，他回答说：“这不是上世纪60年代。没人要橙色眼镜。”

此后的几年中，由Puyn领导的团队对材料进行了改进，并创造了下一代镜片。这种塑料是一种由硫磺化的聚合物制成的硫基聚合物，它是通过精炼化石燃料而产生的废料锻造而成，非常适合用于透镜，窗户和其他需要透射红外光或IR的设备，使红外光可见。

化学与生物化学系教授，负责研发这种聚合物的实验室的Pyun说：“红外成像技术已被广泛用于军事应用，例如夜视和热导导弹。” “但是对于消费者和运输部门来说，成本限制了这项技术的大批量生产。”

James C. Wyant光学科学学院教授Norwood表示，这种新的镜头材料可以使红外摄像机和传感器设备更容易为消费者所用。潜在的消费者应用包括经济型自动驾驶汽车和用于安全或防火的家用热成像。

与2014年开发的对中红外波长透明的第一代硫磺塑料相比，这种新型聚合物更坚固，更耐高温。新镜片对更宽的光谱窗口透明，并延伸到长波红外，并且比目前由锗制成的金属基镜片的行业标准便宜得多，锗是昂贵，笨重，稀有和有毒的材料。

由于锗的许多缺点，特恩·克莱恩(Tristan Kleine)是普恩实验室的研究生，也是该论文的第一作者，他认为硫基塑料是一种有吸引力的替代品。然而，制造红外透明塑料的能力是一项棘手的事情。

产生有用的光学性质的组分，例如硫-硫键，也损害了材料的强度和耐热性。此外，由于几乎所有有机分子都吸收红外光，因此添加额外的有机分子以提高材料强度会导致透明度降低，Kleine说。

为了克服这一挑战，Kleine与化学研究生 Meghan Talbot和化学与生物化学教授Dennis Lichtenberger合作，使用计算模拟来设计不吸收IR并预测候选材料透明性的有机分子。

Kleine说：“在实验室中测试这些材料可能要花费数年的时间，但是我们能够使用这种方法大大加快新材料的设计。”

锗需要超过1,700华氏度的温度才能熔融和成形，但是由于其化学成分，硫聚合物镜片可以在低得多的温度下成形。

“这些新的硫基塑料的主要优点是能够在比锗低得多的温度下轻松地将这些材料加工成对相机或传感器有用的光学元件，同时仍保持良好的热机械性能以防止破裂或刮擦，” Pyun说。“这种新材料刚刚检查了很多我们以前无法找到的盒子。”

诺伍德补充说：“它的可靠性基本上等同于通常用于眼镜的光学聚合物。”

该团队正在与Tech Launch Arizona合作，将研究成果转化为可行的技术。

庞说：“人类像红外线中的一棵圣诞树一样发光。” “因此，当我们考虑物联网和人机界面时，使用红外传感器将成为检测人类行为和活动的一种非常重要的方式。”

特拉华大学和汉城国立大学的研究人员也对该论文做出了贡献，该论文今天发表在《Angewandte Chemie》杂志上。