Тепловизионная съемка с оптикой из сульфурных полимеров

Видеть тепло с помощью более дешевых и экологичных линз

Тепловизоры, позволяющие видеть тепло вместо видимого света, появляются повсюду: в автомобилях, отслеживающих пешеходов ночью, в экипировке пожарных, в медицинских клиниках и даже в космических миссиях. Но линзы, которые делают эти камеры работоспособными, обычно вытачивают из редких и дорогих кристаллов. В данном исследовании показано, что простой материал, похожий на пластик, созданный из обычной серы, способен выполнять ту же задачу, открывая путь к недорогим, перерабатываемым тепловизорам для задач от обеспечения безопасности до экологического мониторинга.

Почему современные тепловизоры такие дорогие

Большинство тепловизоров работают в области спектра, называемой длинноволновым инфракрасным излучением — том диапазоне, который наши тела и многие повседневные объекты естественно испускают в виде тепла. Для фокусировки этого невидимого света линзы камер обычно изготавливают из специальных неорганических материалов, таких как германий, кремний или некоторые сульфурсодержащие стекла. Эти вещества дороги, зачастую строго контролируются, и их обрабатывают медленной, точной механической обработкой в специализированных мастерских. Такое сочетание повышает стоимость и затрудняет масштабирование производства для массового использования, например, в системах помощи водителю или в легких камерах для дронов и малых спутников.

Преобразование обильной серы в пластик, видящий тепло

Элементарная сера — ярко-желтый порошок, производимый в огромных объемах как побочный продукт нефтепереработки — давно привлекает исследователей как дешёвый компонент для новых оптических материалов. Реагируя серу с небольшими органическими молекулами, химики могут получать «сульфурные полимеры», которые ведут себя как пластик, но сильно преломляют инфракрасный свет и пропускают длинноволновое инфракрасное излучение. Ранние версии таких материалов либо поглощали слишком много ключевого теплового излучения, либо размягчались при умеренных температурах, что делало их непригодными для долговечных линз. Авторы работы сосредоточились на особенно перспективной конструкции, предложенной теоретиками, но ранее не полученной на практике: жестком каркасном молекулярном скелете, окруженном цепочками серы, который, по прогнозам, должен обеспечивать как отличную термостойкость, так и превосходную прозрачность в ключевых для теплового изображения длинах волн.

Решение многолетней химической головоломки

Фактическое получение этого «идеального полимера» оказалось непростой задачей. Прямое смешивание серы с исходной молекулой — норборнадиеном — приводило к побочным реакциям, образуя набор перестроенных структур, которые сильно поглощали длинноволновое инфракрасное излучение и портили свойства материала. С помощью детального анализа и компьютерного моделирования исследователи выяснили, как и почему происходят эти побочные реакции. Затем они пошли иным путем: сначала синтезировали специальные кольцевые молекулы, в которых связи углерод–сера уже зафиксированы, а свободными для размыкания и повторного связывания остаются только связи серо–серные. При нагреве этих колец с расплавленной серой они размыкались и соединялись в желаемую сеть, формируя твердое вещество с примерно 81% содержания серы по массе, высокой температурой размягчения и чистым инфракрасным «окном», необходимым для изображения.

От желтых дисков к рабочим объективам

Имея новый сульфурный полимер, команда отливала из него плоские окна и заготовки для линз, затем шлифовала до оптической гладкости. Тонкие образцы удивительно хорошо пропускали тепловое излучение в основном диапазоне тепловизионной области, превзойдя все предыдущие сульфурные пластики, которые одновременно могли выдерживать высокие температуры. Высокое содержание серы обеспечивало материалу сильную способность преломлять инфракрасный свет, что позволяло делать линзы компактными и легкими. Важно, что материал можно было химически «распаковать» обратно до исходных компонентов или перерабатывать горячим прессованием, что делает его перерабатываемым — редкое свойство для оптических компонентов. Исследователи смонтировали формованные полимерные линзы на коммерческий модуль тепловизора, заменив его исходную кремниевую линзу, и получили изображения тестовых мишеней и людей при комнатной температуре. Полученные изображения демонстрировали четкие детали и чувствительность к температуре, близкие к результатам заводской линзы.

Масштабирование и формирование будущего теплового зрения

Чтобы показать, что это не просто лабораторное любопытство, команда продемонстрировала быстрый высокопроизводительный процесс формовки, который прессовал измельченные полимерные кусочки в массив из десятков крошечных линз за один шаг, с качеством изображения, сопоставимым с поодиночно изготовленными линзами. Они также подтвердили стабильность свойств материала в течение многих месяцев и возможность переработки старых линз. В перспективе авторы видят более сложные оптические конструкции, поверхностные обработки, дополнительно повышающие прозрачность, и специальные структуры, снижающие нежелательное поглощение еще сильнее. Их более широкая цель — заменить дорогие, трудно доступные кристаллы перерабатываемыми сульфурными пластиками, сделав тепловизоры дешевле, легче и экологичнее для применения от безопасных автомобилей и умных городов до планетарных исследований и промышленного мониторинга.

Цитирование: 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

Ключевые слова: тепловизионная съемка, инфракрасная оптика, сульфурные полимеры, недорогие линзы, перерабатываемые материалы