Neue Vision für Wärmebildobjektive

Oct 30, 2023

Forscher der Flinders University haben ein neues kostengünstiges Material entdeckt, das zu Linsen für die Wärmebildtechnik verarbeitet werden kann – ein Hinweis auf neue fortschrittliche Fertigungsanwendungen für diese leistungsstarke Technologie.

Wärme- und Infrarotbildgebung werden in vielen Branchen eingesetzt, darunter Verteidigung, Sicherheit und Überwachung, Medizin, Elektrotechnik, Weltraumforschung und autonomer Fahrzeugbetrieb – die erforderlichen Materialien sind jedoch teuer und immer schwieriger zu finden.

Da kostengünstigere Alternativen benötigt werden, hat ein multidisziplinäres Team aus Chemie und Physik an der Flinders University eine Lösung in einem völlig neuen Polymermaterial aus Schwefel und Cyclopentadien entwickelt. Den Hochleistungspolymeren wird die einzigartige Fähigkeit zugeschrieben, Infrarotlicht durchzulassen.

„Das Material vereint hohe Leistung, niedrige Kosten und effiziente Herstellung“, sagt Doktorand Sam Tonkin, Erstautor in einem neuen Artikel in der internationalen Fachzeitschrift Advanced Optical Materials.

„Es hat das Potenzial, den Einsatz der Wärmebildtechnik auf neue Branchen auszudehnen, die bisher durch die hohen Kosten von Germanium- oder Chalkogenidlinsen eingeschränkt waren. Dies ist ein sich schnell entwickelndes Feld, das in den nächsten Jahren spannende Fortschritte erleben wird“, sagt er.

Schwefel wird in vielen Millionen Tonnen bei der Erdölraffinierung produziert. Milliarden Tonnen sind in geologischen Lagerstätten verfügbar. Es ist reichlich und günstig.

Cyclopentadien wird auch aus kostengünstigen Materialien gewonnen, die bei der Erdölraffinierung anfallen.

Die für die Wärmebildaufnahme verwendeten Linsen werden derzeit aus Germanium- oder Chalkogenidgläsern hergestellt. Germanium ist ein knappes und sehr teures Element. Einige Germanium-Linsen können Tausende von Dollar kosten.

Auch Chalkogenid-Gläser weisen Mängel auf. Beispielsweise bestehen sie häufig aus giftigen Elementen wie Arsen oder Selen.

Co-Autor Dr. Le Nhan Pham, ein Forscher in Computer- und physikalischer Chemie an der Flinders University, sagt, dass die gemeinsame Reaktion von Schwefel und Cyclopentadien einen schwarzen Kunststoff mit hoher Transparenz für Infrarotlicht ergibt.

„Das ist das Licht, das von Wärmebildkameras erfasst wird.

„Dieses neuartige Material wurde für ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen entwickelt, von der Raumfahrttechnik über militärische Einsätze bis hin zur Zivil- und Luft- und Raumfahrtindustrie.“ er sagt.

Das Polymer kann zu verschiedenen Linsen geformt werden, die beispielsweise zur Vergrößerung des Bildes in einer Wärmebildkamera verwendet werden können. Da das Polymer schwarz ist, kann es auch zum Verstecken und Schützen von Wärmebildgeräten verwendet werden. Das Polymer kann daher als Tarnung zum Verstecken einer Überwachungskamera verwendet werden.

Das Infrarotlicht dringt durch das Polymer, sodass man mit einer Infrarotkamera hindurchsehen kann. Diese Eigenschaft ist für Verteidigungsmaßnahmen und die Überwachung von Wildtieren nützlich.

Darüber hinaus verfügt das Polymer über viele weitere Eigenschaften:

Die Studie berichtete auch über einige wichtige wissenschaftliche Fortschritte, darunter:

Um die Schlüsselreaktion zu ermöglichen, wurde ein neuer Reaktor entwickelt. Eine zentrale Herausforderung bestand darin, die Bausteine ​​in gasförmiger Form nutzen zu können. Die Verwendung gasförmiger Monomere wurde von anderen Forschern auf diesem Gebiet bisher für nicht möglich gehalten.

Die Studie umfasst auch quantenmechanische Berechnungen, um zu verstehen, wie und warum das Material für das in der Wärmebildtechnik verwendete Infrarotlicht transparent ist. Diese Erkenntnisse werden auch in Zukunft nützlich sein, um neue Linsen mit weiter verbesserten Eigenschaften zu entwickeln.

Der Artikel „Wärmebildgebung und geheime Überwachung unter Verwendung kostengünstiger Polymere mit langwelliger Infrarottransparenz“ (2023) von Samuel J. Tonkin, Le Nhan Pham, Jason R. Gascooke, Martin R. Johnston, Michelle L. Coote, Christopher T. Gibson und Justin M. Chalker wurde in Advanced Optical Materials veröffentlicht, einer führenden Fachzeitschrift mit Schwerpunkt auf Grundlagen- und angewandter Forschung zu Licht-Materie-Wechselwirkungen (Q1, Impact-Faktor 10). DOI: 10.1002/adom.202300058

Danksagung: Die Studie wurde von der Flinders University Impact Seed Funding for Early Career Researchers finanziert und vom Australian Research Council (DP200100090 und FT220100054) an Future Fellow Prof. Justin Chalker vergeben. Zusätzliche Unterstützung für quantenmechanische Berechnungen leistete das ARC auch an Prof. Michelle Coote (DP210100025).

Hintergrund: Die experimentellen Arbeiten für die Studie wurden von Samuel Tonkin geleitet. Wichtige spektroskopische Erkenntnisse lieferten Dr. Jason Gascooke, Associate Professor Martin Johnston und Dr. Christopher Gibson. Dr. Le Nhan Pham führte Computerstudien durch, die die optischen Eigenschaften des Polymers erklären und vorhersagen. Zum Betreuungsteam gehörten Professorin Michelle Coote, die die Computerstudien leitete, sowie Dr. Gibson und Prof. Justin Chalker, die die chemischen Synthese- und Charakterisierungsaspekte des Projekts leiteten. Zusätzliche Beiträge zu dieser Gemeinschaftsstudie kamen von den Co-Autoren Dr. Gascooke, Associate Professor Johnston, Dr. Gibson, Professor Coote und Professor Chalker.