红外热成像技术在国防、安防、火灾探测、行星科学、驾驶员辅助、医疗测温等领域有着广泛而重要的应用。然而，这项技术的普及却遇到了一个“卡脖子”难题：制造热成像相机镜头的材料。这些镜头目前主要依赖于昂贵的、受管控的或加工困难的材料，例如锗（Germanium）、硅（Silicon）或硫属化物玻璃（Chalcogenide glass）。它们不仅成本高昂，而且通过低效率的研磨工艺制造，难以修复或回收。因此，业界迫切需求一种能够大规模定制生产、低成本且可持续的新型镜头材料。
正是在这样的背景下，研究人员将目光投向了硫。硫是地球上储量丰富的元素，价格低廉。由硫衍生出的聚合物因其高折射率和在中波红外（MWIR，3–5 µm）与长波红外（LWIR，7–14 µm）波段的高透明度而被寄予厚望。但之前报道的硫聚合物普遍存在两个关键短板：一是长波红外透过率不够高，二是玻璃化转变温度（Tg）较低，难以确保透镜的形状稳定性（shape persistence）。
早前，Pyun等人基于理论预测，认为一种含有硫化降冰片烷（Sulfurized norbornane）微结构的聚合物（文章中标记为聚合物1）有望同时解决这两个问题。可惜的是，由于此前尝试的合成路径中遇到了复杂的副反应，这一聚合物一直未能被成功制备出来。
这项发表在《Nature Communications》上的研究，终于攻克了这一挑战。研究人员首次成功合成了聚合物1，不仅验证了其在长波红外区域的优异光学性能，还展示了其高效模塑和化学回收能力，并最终将其制成光学透镜，在一台商用长波热成像相机中成功实现了清晰的室温物体成像，标志着硫聚合物光学器件向前迈出了关键一步。
研究人员主要采用了化学合成、光谱学表征与光学性能测试等关键技术方法。具体包括：1) 设计并合成含有预组装好的三硫或五硫环的关键单体（如9和10），以避免直接共聚时的复杂重排反应；2) 通过差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、固态核磁共振（NMR）等手段系统表征了聚合物的热学、结构和光学性质；3) 利用计算化学（密度泛函理论，DFT）模拟预测了目标聚合物的红外光谱；4) 采用模具浇铸和反应性压缩模塑工艺制造了聚合物窗口和透镜；5) 使用商用FLIR（菲力尔）Lepton 3.5热成像模块，通过定量测量噪声等效温差（NETD）和分辨率，全面评估了聚合物透镜的实际成像性能。
研究结果
1. 从预测到合成：克服合成难题
研究人员首先分析了为何直接让硫（S）与降冰片二烯（Norbornadiene）反应无法得到纯净的聚合物1。实验和理论分析发现，反应过程中发生了复杂的分子重排，特别是生成了带有强红外吸收基团（804 cm–1）的环丙烷单元，这会严重损害长波红外（LWIR）的透明度。
为了绕开这一障碍，研究团队采用了“先组装，再聚合”的策略。他们先合成了两种单体9和10，其结构中的碳硫键（C–S）已预先以确定的立体化学构型形成，并包含三硫或五硫环。将这两种单体与熔融的硫进行共聚时，反应仅通过硫硫键（S–S）交换的开环聚合进行，有效避免了有害的重排，从而首次成功合成了目标聚合物1。该聚合物的硫质量含量为81%，达到了热学和光学性能的最佳平衡。
2. 材料性能表征：优异的LWIR透过率与高热稳定性
对聚合物1的表征证实了其卓越的性能。FTIR光谱显示，其实际测量谱图与计算模拟谱图高度吻合，且关键的环丙烷吸收峰（804 cm–1）完全消失。
光学测试表明，一块1.00 mm厚的聚合物窗口，在长波红外（LWIR，7–14 µm）区域的平均透过率达到19.4%，在中波红外（MWIR，3–5 µm）区域为48.6%。更薄的样品（0.15 mm）LWIR透过率可超过58%。这是迄今为止报道的具有Tg> 100 °C的多硫化物聚合物中最高的LWIR透过率。同时，该材料在MWIR和LWIR波段的平均折射率高达1.87。
热性能方面，DSC测得其玻璃化转变温度（Tg）为115 °C（动态热机械分析DMTA测得为154 °C），这确保了透镜的形状持久性和热稳定性。此外，聚合物1表现出良好的长期稳定性，存放12个月后的性能无明显变化。
3. 从材料到器件：热成像性能验证
研究的核心目标是将聚合物1制造成可用的光学镜头。研究人员制造了多种不同焦距（1.5–5.0 mm）和光圈数（f/0.75–2）的平凸透镜，并用它们替换了FLIR Lepton 3.5热成像模块中的原装硅双合透镜。
测试结果显示，这些聚合物透镜即使在40 °C的低温目标下也能呈现出良好的分辨率和热灵敏度。其中，f/0.75和f/0.8的透镜，其噪声等效温差（NETD）分别为62.1 mK和63.0 mK，与专为该模块优化的商业硅双合透镜（NETD 53.6 mK）性能相当。更重要的是，利用聚合物1透镜，相机成功对室温和人体等低温目标进行了高质量成像，甚至能录制清晰的视频，这在同类硫聚合物材料中尚属首次。
4. 高效制造与循环利用：可扩展性优势
为了展示其大规模生产的潜力，研究人员开发了一种反应性压缩模塑技术。使用一个特制的模具，他们一次性成功模塑出包含89个透镜的整体阵列，单次循环仅需几分钟。这种方法不仅产量高，还可以利用边角料或损坏的透镜进行回收再成型。同时，研究人员还开发了化学解聚方法，使用硫代乙酸钾作为亲核催化剂，通过S–S交换反应将聚合物1分解回单体9和10，实现了材料的化学回收。
结论与讨论
本研究成功地将一个理论预测变成了现实。通过巧妙的设计合成路径，研究人员首次制备出了具有硫化降冰片烷微结构的聚合物1。该材料完美结合了高长波红外（LWIR）透过率（>19.4% @ 1 mm）、高玻璃化转变温度（Tg> 100 °C）和高折射率（n ~ 1.87），这些性能正是应用于红外光学器件的核心要求。实验证明，由该聚合物制成的透镜在商用热成像相机中性能优异，能够清晰地捕捉室温物体和人体目标，其成像能力达到了与商业硅透镜相当的水平。
这项研究的突破性意义在于验证了硫聚合物作为低成本、可持续红外光学材料的巨大潜力。它不仅提供了制造红外镜头的替代方案，规避了对锗、硅等昂贵或受限制材料的依赖，更展现了可高效模塑成型和可化学回收的独特优势。这种“塑料”光学器件的制造方式，完全不同于传统无机材料的缓慢研磨工艺，有望实现红外光学元件的低成本、大批量生产。
未来，基于聚合物1的高Tg和稳定性，研究可进一步探索更复杂的光学设计（如自由曲面透镜）和抗反射涂层技术，以进一步提升成像质量。同时，对聚合物中有机组分的进一步设计，有望继续降低LWIR吸收，推动其在高精度导航、国防安全、空间探测、高温监测等更广泛领域的应用。总的来说，这项工作是迈向用可持续、低成本聚合物全面替代传统红外材料的关键里程碑，为红外热成像技术的普及应用打开了新的大门。
