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「眼前的黑不是黑」,它才是最黑的,比黑还黑

图片:新发现 / 知乎

这是一种比黑还要黑的材料,可以称之为「绝对黑」

新发现,欧洲科学人文杂志第一品牌
如何发明一种材质,能尽可能多的吸收光线,得到一种绝对的黑?物理学家纷纷投入这项极限竞赛,因为等待这种能够捕捉光子的材质的将是极其广泛的应用。

最高的建筑,最坚硬的物体……现在轮到最黑的材质了!能尽可能吸收光线的材质,换个说法,也就是尽量不反射光线的材质。在美国、沙特阿拉伯、欧洲,有十多支研究团队投入到了这场全新的极限竞赛中,目标:发明一种类似物理学所谓的黑体的材料。

寻找最黑的东西——乍听上去,这样的挑战着实无聊,还有点孩子气,更不用说这还是《吉尼斯世界纪录大全》里的一项。但实质上,这并不像开发某种黑色颜料那样简单,而是要构建一种纳米材料。这是非常尖端的物理研究,且意义重大。

因为工程师已为无反光材料设计了各种各样的应用:既然它可以隐藏所有高低起伏,那它会是一种理想的军事伪装涂层(尤其是战斗机);它能吸收所有的光子,可用于制造高效的太阳能板……此外,它还能消除进入摄像机、照相机和望远镜镜头的干扰光,以获得更佳的成像。

说起来,这场黑暗搜寻还是大约 10 年前在空间领域率先开始的。这源自美国国家航空航天局(NASA)天文学家的诉求。他们使用的太空望远镜碰到了大麻烦:晕光。

这张 NASA 的哈勃太空望远镜的照片是在 2009 年的第五次维修任务中拍摄的。

“当我们想要观察远方十分微弱的信号时,同时会截获更明亮的天体释放的信号,经常受到干扰。”约翰·哈戈皮恩(John Hagopian)回忆道。这位光学专家是最早意识到这个问题的人之一,那还是在 2007 年。

John Hagopian, NASA/Goddard Space Flight Center (IMAGE)

哈勃太空望远镜的情况尤为典型。研究人员在光学部件周围涂上名为 Z306 的黑色涂料,它能有效吸收光线,但结果还是不尽如人意。“于是,我们想到一定要发明一种更黑的材料,更好地抑制光干扰,只有这样,我们才能看清耀眼恒星周围的行星,还有地球上明亮冰面旁那些昏暗的洋面。”


在物质深层下功夫

就此开始了漫漫探索路。专家很快意识到,仅仅在材料的化学组成上做文章是无法得到绝对黑的——传统的黑色涂料最多只能吸收 90%的光线。必须找到一种纳米结构,充分利用它的几何和机械特性来捕获更多的光子。研究方向很快确定:碳纳米管。

第一个方向:在基材上面植入碳纳米管,制成几乎中空的片状材料。光线照射在材料表面上,在碳纳米管之间来回碰撞,就再也出不来了。所以,这种材料能吸收很大部分的光线。涂层(这张图就是 Vantablack,下图为 NASA 开发的产品)吸光率超过 99.6%。

比黑还要黑 https://www.zhihu.com/video/1022778268004528128

首先想到这种材料的是约翰·哈戈皮恩及其团队。碳纳米管粗细只有头发丝的 10 万万分之一,当时因导电性能而名声大噪,几何和光学特性反被忽略。简直是大错特错!“我们意识到,这种材料用来吸收光线是最好不过了。”约翰·哈戈皮恩解释说。

研究人员将碳纳米管平行排列,组成 99%中空的片状材料。光子落在材料上,迷失在碳纳米管之间,找不到出路,因为几乎没有可供反射的物质。如此便可捕获大量光线。

纳米管

2007 年,经证实,这种覆盖层的吸光效果比 Z306 要好上 10 倍!它足足能“吞噬”99.5%的光线——从紫外线到红外线,当然还包括整个可见光谱。

纳米管

这场牛刀小试激起了美国其他团队的斗志,他们尝试改变纳米管的排列方式……2008 年,纽约的伦斯勒理工学院(RPI)团队宣布发明了全世界最黑的材料,吸光率 99.9%!这个数据被收进了《吉尼斯世界纪录大全》。

Creator of Darkest Material on Earth Honored by IEEE

哈戈皮恩坦然认输,他认可这个创纪录的吸光率,同时也强调自己发明的材料在空间领域更耐用,吸光率持续提升(他保证,2018 年会创造新纪录)。“缩小纳米管的尺寸和密度是改良的关键。”他兴奋地表示,“望远镜不可能永远越造越大。要在感光度和精度上取胜,就要靠超黑材料。”

竞争趋于白热化。2014 年,英国的萨里纳米系统公司(Surrey Nanosystems)推出了一种全新材料 Vantablack。特定波长(750 纳米)下,其吸光率达到创纪录的 99.965%!“

我们计划再过几年把产品覆盖到各类日常用品上:摄像机、智能手机、无人驾驶汽车……提升上述产品的光学性能,排除光干扰。”萨里纳米系统公司的技术总监本·杰森(Ben Jensen)侃侃而谈。

该公司于 2016 年将 Vantablack 以多种形式推向市场,其中包括一款喷雾。其抹平效果是如此强悍,以至于艺术家安尼什·卡珀尔(Anish Kapoor)买下了它的专有使用权!

安尼什·卡珀尔(Anish Kapoor)

如同进入一块海绵

另一些团队则想到用纳米颗粒制造光线陷阱。在沙特阿拉伯,阿卜杜拉国王科技大学的安德烈亚·弗拉塔洛基(Andrea Fratalocchi)从 2014 年起致力于将黄金纳米棒和纳米球组合在一起:光线照射在这种材料上,就像是被吸进有无数孔隙的海绵(纳米颗粒),再也出不来。“亚洲有一种超白的甲虫,名叫白金龟,它的伪装机制给了我灵感,我反其道而行之,” 安德烈亚·弗拉塔洛基解释说。

Super-dark chameleon material shifts colour to boost solar power

2015 年,他的成就也被收入了《吉尼斯世界纪录大全》。这种涂层能吸收 99%各种波长的可见光,效果相当的情况下,厚度仅为纳米管结构的百分之一。安德烈亚·弗拉塔洛基已将这种材质用于试制一种太阳能电池。

纳米颗粒之所以优于纳米管,是因为在高温状态下,前者更稳定,而后者会氧化,超过 500℃还会自燃。“我们的技术未必能打破最黑纪录,但它在某些应用领域会是最好的选择。”美国加利福尼亚大学的陈仁坤(Renkun Chen,音译)表示,他为聚光太阳能热发电开发了一种基于大量稳定的金属(钴、铜、铁等)氧化物纳米颗粒的表面材料。

“除了竞争,另一个看点是在这些发现的基础上基础研究和应用研究能有多大的发展。因为关于材料和光之间的互作用还有许多谜团。”玛蒂娜·麦纳 - 莱尔米特(Martine Mayne-L’Hermite)表示,法国原子能和可替代能源委员会(CEA)的这位研究员专攻碳纳米管。

Vantablack. Courtesy of Surrey NanoSystems.

或许有一天,这场探索能帮助我们能理解物质怎样在原子层面对光线产生细微影响,以及它们如何互相影响,各自又是如何在对方影响下产生变化……这样一想,创造吉尼斯纪录这件事似乎也不怎么无聊了……

文 / Muriel Valin

编译 / 黄雅琴

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