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美科学家发现新型硫基聚合物 长波红外传输优于任何现有塑料光学器件

2019-02-23 08:47
来源: 微迷网

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。

美科学家发现新型硫基聚合物 长波红外传输优于任何现有塑料光学器件

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。

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