Brug af beregningskemi til at producere billigere infrarøde plastiklinser

Fem år siden, da materialeforsker Jeffrey Pyun fra University of Arizona præsenterede sin første generation af orangefarvet plastiklinse for optisk videnskabsmand Robert Norwood, han svarede, "Det her er ikke 60'erne. Ingen vil have orange briller, mand."

I årene siden, et team ledet af Puyn har forfinet materialet og skabt den næste generation af linser. Plasten, en svovlbaseret polymer, der er smedet af affald genereret ved raffinering af fossile brændstoffer, er utrolig nyttig til linser, vinduer og andre enheder, der kræver transmission af infrarødt lys, eller IR, hvilket gør varmen synlig.

"IR-billedteknologi bruges allerede i vid udstrækning til militære applikationer såsom nattesyn og varmesøgende missiler, " sagde Pyun, en professor i Institut for Kemi og Biokemi, der leder laboratoriet, der udviklede polymeren. "Men for forbrugerne og transportsektoren, omkostninger begrænser højvolumenproduktion af denne teknologi."

Det nye linsemateriale kan gøre IR-kameraer og sensorenheder mere tilgængelige for forbrugerne, ifølge Norwood, en professor ved James C. Wyant College of Optical Sciences. Potentielle forbrugerapplikationer omfatter økonomiske autonome køretøjer og termisk billedbehandling i hjemmet til sikkerhed eller brandbeskyttelse.

De nye polymerer er stærkere og mere temperaturbestandige end den første generation af svovlplastik, der blev udviklet i 2014, og som var gennemsigtig til mid-IR-bølgelængder. De nye linser er gennemsigtige for et bredere spektralvindue, strækker sig ind i langbølget IR, og er langt billigere end den nuværende industristandard for metalbaserede linser lavet af germanium, et dyrt, tung, sjældent og giftigt materiale.

På grund af germaniums mange ulemper, Tristan Kleine, en kandidatstuderende i Puyns laboratorium og førsteforfatter på papiret, identificeret en svovlbaseret plast som et attraktivt alternativ. Imidlertid, evnen til at lave IR-gennemsigtig plast er en vanskelig forretning.

De komponenter, der giver anledning til nyttige optiske egenskaber, såsom svovl-svovlbindinger, kompromitterer også materialets styrke og temperaturbestandighed. I øvrigt, medtagelsen af ​​yderligere organiske molekyler for at give materialets styrke resulterede i reduceret gennemsigtighed, da næsten alle organiske molekyler absorberer IR-lys, sagde Kleine.

For at overkomme udfordringen, Kleine – i samarbejde med kemi-kandidatstuderende Meghan Talbot og kemi- og biokemiprofessor Dennis Lichtenberger – brugte beregningssimuleringer til at designe organiske molekyler, der ikke var IR-absorberende og forudsagde gennemsigtighed af kandidatmaterialer.

"Det kunne have taget år at teste disse materialer i laboratoriet, men vi var i stand til i høj grad at fremskynde design af nye materialer ved hjælp af denne metode, " sagde Kleine.

Germanium kræver temperaturer over 1, 700 grader Fahrenheit til at smelte og forme, men på grund af dens kemiske sammensætning, svovlpolymerlinserne kan formes ved en meget lavere temperatur.

"En stor fordel ved disse nye svovlbaserede plastik er evnen til let at behandle disse materialer ved meget lavere temperaturer end germanium til nyttige optiske elementer til kameraer eller sensorer, mens de stadig bevarer gode termomekaniske egenskaber for at forhindre revner eller ridser, " sagde Pyun. "Dette nye materiale har lige tjekket så mange kasser, vi ikke kunne før."

"Dens pålidelighed svarer stort set til optiske polymerer, der rutinemæssigt bruges til briller, " tilføjede Norwood.

Holdet samarbejder med Tech Launch Arizona for at omsætte forskningen til en levedygtig teknologi.

"Mennesker lyser op som et juletræ i IR, " sagde Pyun. "Så, når vi tænker på tingenes internet og menneske-maskine-grænseflader, brugen af ​​IR-sensorer bliver en rigtig vigtig måde at detektere menneskelig adfærd og aktivitet på."

Forskere fra University of Delaware og Seoul National University bidrog også til papiret, som blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Angewandte Chemie .