迄今最黑材料问世,吸收99.99%入射光,已引起航空航天界密切关注

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迄今最黑材料问世,吸收99.99%入射光,已引起航空航天界密切关注
麻省理工科技评论 2019-09-18

2019-09-18

艺术影响科学——麻省理工学院创造出一种比之前报道过的任何一款黑色材料都要再黑上 10 倍的材料。
材料 技术 麻省理工
艺术影响科学——麻省理工学院创造出一种比之前报道过的任何一款黑色材料都要再黑上 10 倍的材料。

黑色,从人的视觉角度来看,代表了夜晚的来临,象征着神秘、恐惧、死亡与敬畏。从宇宙观的角度,黑也是宇宙的本质。而在时尚界,三个有着重要地位的颜色——黑、白、灰,被统称为“时尚三原色”,而黑色的王者地位总是无可撼动的。

而今,一个与艺术紧密相关的科学突破呈现在世人眼前。麻省理工学院对外宣布,他们创造出一种比之前报道过的任何一款黑色材料都要再黑上 10 倍的材料。这种材料是由垂直排列的碳纳米管(CNTs)制成的,CNTs 是一种微小的碳丝,研究人员让它在氯腐蚀过的铝箔表面上生长。从而使这种铝箔至少能吸收 99.995% 的入射光,一举成为有史以来最黑的材料。

关于这项研究的论文发表在最新一期的 ACS Applied Materials and Interfaces 杂志上。同时,与这种最黑的材料相结合,设计而成的艺术品——“虚荣的救赎(the Redemption of Vanity)”也展览于纽约证券交易所中。

迄今最黑材料问世,吸收99.99%入射光,已引起航空航天界密切关注

图 | “虚荣的救赎(the Redemption of Vanity)”展品照片(来源:MIT)

照片左侧是来自 LJ West Diamonds 的 16.78 克拉重的天然黄色钻石(估价约为 200 万美元),图右则是用这种迄今为止最黑的新款碳纳米管基材料涂覆在钻石表面,让一颗雕琢精美的璀璨宝石,呈现出一种完全的、黑暗的虚空状态。

这颗名为“虚荣的救赎”的艺术品,是由麻省理工学院艺术、科学和技术中心(MIT Center for Art,Science,and Technology Artist in Residence Diemut Strebe)与麻省理工学院教授布莱恩·沃德尔(Brian Wardle)及其实验室合作创作的。而“最黑材料”的研究论文,则是布赖恩·沃德尔与原 MIT 博士后、现在的上海交通大学复合材料研究所副教授崔可航合著的。

发现,又源于巧合

人类历史上的很多科学发现,都来源于“机缘巧合”。比如诺贝尔奖的创立者阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel)在硝化甘油研究领域做出的最大贡献——发明出“达纳炸药”,就是偶然间发现的。硝化甘油制成的液体炸药,威力极大但安全性能很差,受到冲击极易爆炸。

诺贝尔就要求硝化甘油在运输时用罐装运,并且在罐与罐之间填充泥土,以防摇晃。而在一次运输途中,一个罐的偶然破裂,使硝化甘油泄漏到泥土中并被吸收。诺贝尔发现泥土吸收了硝化甘油后也相对稳定,进而深入研究,因此发明了用硅藻土吸收硝化甘油的这种既有威力又安全可控的新型炸药,后被命名为达纳炸药。

而这项关于“最黑材料”的研究成果,其实也并非是布赖恩·沃德尔和崔可航两位研究团队领导者的本意。他们两人的原计划,本来是想去试验在铝等导电材料的表面上生长碳纳米管的方法,以便提高材料的导电性能和热学性能。

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图 | 布莱恩·沃德尔(Brian Wardle)在实验室的照片(来源:MIT)

但当崔可航尝试在铝的表面上生长碳纳米管时,他遇到了一个棘手问题,这个问题和铝的耐腐蚀性也有关。当铝暴露在空气中时,其表面就会始终存在一层氧化物薄膜。而这层氧化物薄膜,起到了绝缘层的作用,阻碍了铝材的导电和传热。当他想办法去除铝的氧化层时,发现了一种盐或氯化钠的溶液。

当时,沃德尔的研究团队正尝试使用盐和其他厨房物品,比如小苏打和洗涤剂等,来生长碳纳米管。在他们的盐实验中,崔可航注意到氯离子可以侵蚀铝的表面并溶解其氧化层。他表示:“这种蚀刻工艺对许多金属来说都很常见。例如,轮船会受到含氯海水的腐蚀。而我们现在正利用这一过程为实验带来好处。”

崔可航将铝箔浸泡在盐水中,就可以去除氧化层。然后,他将铝箔迅速转移到一个无氧环境中,以防止其再次氧化,最后,将蚀刻的铝放入“烤箱”中,在那里,研究人员通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)的方法来生长碳纳米管。这样一来,研究人员就可以在铝的表面生长出碳纳米管,而且需求的条件温度降低了约 100 ℃。

研究人员还发现,碳纳米管与铝的结合显著提高了材料的热学和电学性能——这也是他们的预期发现。但最令他们吃惊的,却是这种结合材料的颜色——是那么纯粹的黑。

为什么这么黑?

针对此次发现,崔可航回忆到:“在碳纳米管生长之前,我就有注意到它的颜色是很黑的。然而在碳纳米管生长之后,它看起来甚至更黑了。所以,我便想着应该去测量一下样品的光学反射率。”

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图 | 上海交通大学材料科学与工程学院崔可航副教授(来源:smse.sjtu.edu)

崔可航测量了该材料的反射光量,不仅是从上方直接反射的,还有从其他所有可能的角度反射的光。结果表明,该材料从各个角度至少可以吸收 99.995% 的入射光。也就是说,它比目前最黑的物质,由英国 Surrey Nanosystems 公司制造的“Vantablack( 梵塔黑)”反射的光还要少 10 倍。

而且,不论该材料覆盖的物体是有凸起、凹陷或是任何类型的形态特征,无论从哪个角度看,这些特征都是人眼所看不见的,呈现出一片完全黑暗的虚无。

该项目的另一名领导者沃德尔表示,他们的研究团队通常不关注材料的光学特性,但这项工作是他们与麻省理工学院的艺术、科学和技术中心同时合作进行的,所以在这项发现中,艺术影响了科学。

沃德尔和崔可航已经为这项技术申请了专利,他们计划让所有的艺术家都可以免费使用这项新的 CNT 技术来进行非商业性质的艺术创作。

尽管目前,研究人员还不能完全确定造成这种材料不透明的机制,但他们猜测这可能与蚀刻铝和碳纳米管的结合有关。科学家们认为,密集的碳纳米管阵列可以吸收大部分射入的光线并将其转化为热能,反射出的光很少,因此碳纳米管具有特别的黑色。

沃德尔说:“不同种类的碳纳米管阵列都是非常黑的,但是对于为什么这种材料是最黑的,目前还缺乏机制上的理解。这也需要进一步的深入研究。”

即便从机制上还未让人完全理解,这种材料已经引起了航空航天界的兴趣。虽然没有参与这项研究,但天体物理学家、诺贝尔物理学奖得主约翰·马瑟(John Mather)正着手探索用这种最黑的材料作为宽场红外巡天望远镜(WFIRST)上“遮星伞(Star Shade)”装置的基础材料。

宽场红外巡天望远镜是美国宇航局(NASA)正在开发的红外空间望远镜,将用于对近红外天空进行宽场成像和调查。其主要任务是要解决暗能量、系外行星和红外天体物理学领域的基本问题。而遮星伞装置是一个巨大的黑色遮盖物,可以保护太空望远镜免受杂散光的影响。

“类似照相机和望远镜这样的光学仪器必须要摆脱不必要的眩光,才能让人看到你想看的东西,”马瑟说。“你想看到地球绕着另一颗恒星运转吗?那么我们就需要非常黑的东西,而且这种黑色材料必须能承受火箭发射带来的冲击。”


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