التصوير الحراري باستخدام عدسات بوليمرية من الكبريت

رؤية الحرارة بعدسات أرخص وأكثر صداقة للبيئة

الكاميرات الحرارية، التي تتيح لنا رؤية الحرارة بدل الضوء المرئي، باتت تظهر في كل مكان: في السيارات التي ترصد المشاة ليلاً، في معدات رجال الإطفاء، في العيادات الطبية، وحتى في بعثات الفضاء. لكن العدسات التي تجعل هذه الكاميرات تعمل عادةً ما تُقطَع من بلورات نادرة ومكلفة. تُظهر هذه الدراسة أن مادة بسيطة شبيهة بالبلاستيك مصنوعة من الكبريت الشائع يمكن أن تقوم بنفس المهمة، ما يفتح الباب أمام كاميرات حرارية منخفضة التكلفة وقابلة لإعادة التدوير لتطبيقات تتراوح بين السلامة ومراقبة البيئة.

لماذا الكاميرات الحرارية الحالية مكلفة جداً

معظم الكاميرات الحرارية تنظر إلى جزء من الطيف يُسمى الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة، وهو نوع الضوء الذي ينبعث طبيعياً من أجسامنا والعديد من الأشياء اليومية على شكل حرارة. لتركيز هذا الضوء غير المرئي، تُصنع العدسات عادةً من مواد غير عضوية خاصة مثل الجرمانيوم أو السيليكون أو زجاج غني بالكبريت. هذه المواد مكلفة، وغالباً ما تكون خاضعة لقيود صارمة، ويتم تشكيلها بالقطع الدقيق البطيء في ورش متخصصة. هذا المزيج يرفع الأسعار ويجعل من الصعب توسيع نطاق الإنتاج للاستخدام الواسع، مثل أنظمة مساعدة السائق في السوق الجماهيري أو الكاميرات الخفيفة على الطائرات بدون طيار والأقمار الصناعية الصغيرة.

تحويل الكبريت الوفير إلى بلاستيك يَرى الحرارة

الكبريت العنصري، المسحوق الأصفر اللامع المنتج بكميات كبيرة كمنتج ثانوي من تكرير النفط والغاز، كان منذ زمن يجذب الباحثين كمكون رخيص لمواد بصرية جديدة. عبر تفاعل الكبريت مع جزيئات عضوية صغيرة، يمكن للكيميائيين أن يصنعوا «بوليمرات الكبريت» التي تتصرف مثل اللدائن لكنها تنحرف بالأشعة تحت الحمراء بقوة وتسمح بمرور الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة. الإصدارات السابقة من هذه المواد إما كانت تمتص قدراً كبيراً من ضوء الاستشعار الحراري الحاسم أو كانت تطرى عند درجات حرارة متواضعة، مما جعلها غير مناسبة للعدسات المتينة. ركز الفريق في هذه الدراسة على تصميم واعد بشكل خاص، اقترحه المنظرون نظرياً لكن لم يُصنع بنجاح من قبل: هيكل جزيئي صلب على شكل قفص محاط بسلاسل من الكبريت، يتوقع أن يمنح مقاومة عالية للحرارة وشفافية فائقة للأطوال الموجية الأساسية المستخدمة في التصوير الحراري.

حل لغز كيميائي دام طويلاً

كان بناء هذا «البوليمر الحلمي» عملياً أمراً معقداً. المزج المباشر للكبريت مع الجزيء الابتدائي، النوربورناديين، أدى إلى انحراف التفاعل، منتجاً خليطاً من هياكل معاد ترتيبها تمتص الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة بشدة وتُفسد الأداء. باستخدام تحليل مفصل ومحاكاة حاسوبية، اكتشف الباحثون كيف ولماذا حدثت هذه التفاعلات الجانبية. ثم اتخذوا مسارًا مختلفًا: صنعوا أولاً جزيئات حلقيّة خاصة تكون فيها روابط الكربون–كبريت مقفلة بالفعل، وتكون فقط روابط الكبريت–كبريت حرة في الفتح وإعادة الترابط. عندما سُخِنت هذه الحلقات مع الكبريت المصهور، انفتحت وربطت مع بعضها لتكوّن الشبكة المرغوبة، مكونة صلباً بنسبة حوالي 81% كبريت بالوزن، ودرجة انصهار/تطرٍ عالية، و«نافذة» تحت حمراء نظيفة لازمة للتصوير.

من أقراص صفراء إلى عدسات كاميرات عملية

مع البوليمر الكبريتي الجديد، صبّ الفريق المادة في نوافذ مسطحة و«قوالب عدسات» ثم صنعتها حتى أصبحت ناعمة بصرياً. نقلت القطع الرقيقة ضوء الاستشعار الحراري بشكل ملحوظ عبر نطاق التصوير الحراري الرئيسي، متفوقة على أي بلاستيك كبريتي سابق كان قادراً أيضاً على تحمل درجات حرارة عالية. منح المحتوى العالي من الكبريت المادة قدرة قوية على انحناء الأشعة تحت الحمراء، مما يعني أن العدسات يمكن أن تكون مدمجة وخفيفة الوزن. والأهم من ذلك، أن المادة يمكن فكها كيميائياً إلى مكوّناتها الأساسية أو إعادة تشكيلها بالضغط الحراري، مما يجعلها قابلة لإعادة التدوير—وهي خاصية غير شائعة للمكوّنات البصرية. ركب الباحثون عدسات مصبوبة من البوليمر على وحدة كاميرا حرارية تجارية، مستبدلين عدستها السيليكونية الأصلية، وصورو أهداف اختبار وأشخاصاً في درجة حرارة الغرفة. أظهرت الصور الناتجة تفاصيل حادة وحساسية للحرارة قريبة من عدسة المصنع.

توسيع النطاق وتشكيل مستقبل الرؤية الحرارية

لإظهار أن هذا ليس مجرد فضول مختبري، دلّل الفريق على عملية قولبة سريعة وعالية الإنتاجية تضغط قطع البوليمر المطحونة في مصفوفة من عشرات العدسات الصغيرة في خطوة واحدة، بجودة صورة قابلة للمقارنة مع العدسات المصنوعة واحدة تلو الأخرى. كما أكدوا أن خواص المادة ظلت مستقرة على مدى عدة أشهر، وأنه يمكن إعادة معالجة العدسات القديمة. على المدى البعيد، يتصور المؤلفون تصميمات عدسات أكثر تطوراً، ومعالجات سطحية تزيد الشفافية، وهياكل مخصصة تقلل الامتصاص غير المرغوب فيه أكثر. هدفهم الأوسع هو استبدال البلورات المكلفة والصعبة المنال ببلاستيك كبريتي قابل لإعادة التدوير، ما يجعل الكاميرات الحرارية أرخص وأخف وأكثر استدامة لتطبيقات تتراوح بين سيارات أكثر أماناً ومدن أذكى إلى استكشاف الكواكب والمراقبة الصناعية.

الاستشهاد: Tonkin, S.J., Patel, H.D., Pople, J.M.M. et al. Thermal imaging using sulfur polymer optics. Nat Commun 17, 1561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68889-0

الكلمات المفتاحية: التصوير الحراري, بصريات الأشعة تحت الحمراء, بوليمرات الكبريت, عدسات منخفضة التكلفة, مواد قابلة لإعادة التدوير