使用硫聚合物光学进行热成像

用更便宜、更环保的透镜“看见”热量

热像仪让我们看到热而非可见光，正出现在越来越多的场合：夜间监测行人的汽车、消防员装备、医疗诊所，甚至太空任务中。但使这些相机工作的透镜通常由稀有且昂贵的晶体切削而成。该研究表明，一种由日常硫制成、类似塑料的简单材料可以完成相同的工作，从而为用于安全和环境监测等各类场景的低成本、可回收热像仪打开大门。

为什么现有热像仪如此昂贵

大多数热像仪探测的是称为长波红外的光谱区域，这是我们身体和许多日常物体以热的形式自然发出的光。为了聚焦这种不可见的光，摄像头的透镜通常由特殊无机材料制成，如锗、硅或某些富含硫的玻璃。这些物质成本高、常受严格控制，并且需要在专业车间由慢而精确的加工工序成型。这些因素共同抬高了价格，也使得在大众市场（比如大规模的驾驶辅助系统或无人机、小型卫星上的轻量相机）中扩大生产变得困难。

把丰裕的硫变成能“看热”的塑料

元素硫是一种鲜黄色粉末，作为石油和天然气炼制的副产物大量产生，长期以来吸引研究者将其作为开发新型光学材料的廉价原料。通过让硫与小有机分子发生反应，化学家可以制备出“硫聚合物”，这类材料表现得像塑料，但能强烈折射红外光并允许长波红外通过。早期版本的这些材料要么对关键的热感光波段吸收过强，要么在较低温度下就软化，使其不适合作为耐用透镜。本研究团队聚焦于一种颇具前景的设计——理论上提出但从未成功制备过：一种刚性、笼状的分子骨架，周围缠绕着硫链，预计既具优良的耐热性，又在热成像所用的关键波段表现出优异的透明性。

攻克长久存在的化学难题

真正将这种“梦之聚合物”构建出来并不容易。直接将硫与起始分子降冰片二烯混合会使反应偏离预期，产生一堆重排结构，这些副产物对长波红外有强吸收，破坏了性能。通过详尽的分析与计算机模拟，研究者弄清了这些旁路反应的发生机制与原因。随后他们改用另一条路线：先合成特殊的环状分子，使碳—硫键已被锁定，只有硫—硫键可以开环并重新结合。当这些环与熔融硫加热混合时，环状结构被打开并互相缝合成所需的网络，形成一种约含硫81%（按重量计）、具有高软化温度并在红外波段呈现出干净“窗口”的固体，这正是用于成像所需的特性。

从黄色圆盘到可工作的相机透镜

有了这种新的硫聚合物，团队将其铸造成平窗和透镜“预成型件”，并打磨至光学平滑。薄片在热成像的主要波段上对热感光光的透过率非常好，性能优于之前那些既能耐高温又基于硫的塑料。聚合物高含硫量赋予它强烈的红外折射能力，这意味着透镜可以制得更紧凑、更轻便。重要的是，该材料可以通过化学“解拉链”回到构建单元，或通过热压重新成形，实现可回收——这是光学元件中少见的特性。研究者将模制的聚合物透镜装在一台商用热像模块上，替换了其原有的硅透镜，并对测试目标和室温下的人像进行了成像。所得图像显示出清晰的细节和接近出厂透镜的温度灵敏度。

放大产能并塑造热成像的未来

为表明这不只是实验室的好奇，团队示范了一种快速、高通量的模压工艺，可在一次操作中将研磨的聚合物颗粒压制成数十个小透镜的阵列，其成像质量可与逐个制备的透镜相媲美。他们还确认该材料的性能在数月内保持稳定，旧透镜可以被重新加工。展望未来，作者设想更复杂的透镜设计、进一步提高透明性的表面处理以及能进一步降低不良吸收的定制结构。他们更广泛的目标是以可回收的硫基塑料替代昂贵且难以获得的晶体，使热像仪在从更安全的汽车和更智能的城市到行星探测与工业监测的应用中变得更便宜、更轻便、更可持续。

引用: 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

关键词: 热成像, 红外光学, 硫聚合物, 低成本透镜, 可回收材料