Med undskyldninger til “Spinal Tap” ser det ud til, at sort faktisk kan blive endnu mere sort.
MIT-ingeniører rapporterer i dag, at de har udviklet et materiale, der er 10 gange mere sort end noget, der tidligere har været rapporteret. Materialet er lavet af vertikalt justerede kulstofnanorør, eller CNT’er – mikroskopiske kulstoftråde, som ligner en uklar skov af små træer, som holdet har dyrket på en overflade af klorin-ætset aluminiumsfolie. Folien opfanger mindst 99,995 procent* af alt indkommende lys, hvilket gør det til det sorteste materiale nogensinde.
Forskerne har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet ACS-Applied Materials and Interfaces. De fremviser også det kappelignende materiale som en del af en ny udstilling i dag på New York Stock Exchange med titlen “The Redemption of Vanity.”
Kunstværket, der er udtænkt af Diemut Strebe, en artist-in-residence ved MIT Center for Art, Science and Technology, i samarbejde med Brian Wardle, professor i aeronautik og astronautik ved MIT, og hans gruppe, og MIT Center for Art, Science and Technology artist-in-residence Diemut Strebe, har en 16.78 karat naturlig gul diamant fra LJ West Diamonds, som anslås at være 2 millioner dollars værd, og som holdet har belagt med det nye, ultrasorte CNT-materiale. Effekten er imponerende: Ud over at være et kunstnerisk udtryk kan CNT-materialet ifølge Wardle også være praktisk anvendeligt, f.eks. i optiske skyklapper, der reducerer uønsket blænding, for at hjælpe rumteleskoper med at finde exoplaneter i kredsløb.
“Der er optiske og rumvidenskabelige anvendelser for meget sorte materialer, og selvfølgelig har kunstnere været interesseret i sort, og det er gået langt tilbage før renæssancen,” siger Wardle. “Vores materiale er 10 gange mere sort end noget, der nogensinde er blevet rapporteret, men jeg tror, at det sorteste sorte er et mål, der hele tiden er i bevægelse. Nogen vil finde et mere sort materiale, og til sidst vil vi forstå alle de underliggende mekanismer og vil være i stand til at konstruere det ultimative sort på en ordentlig måde.”
Wardles medforfatter på artiklen er den tidligere MIT-postdoc Kehang Cui, som nu er professor ved Shanghai Jiao Tong University.
Into the void
Wardle og Cui havde ikke til hensigt at konstruere et ultrasort materiale. I stedet eksperimenterede de med måder at dyrke kulstofnanorør på elektrisk ledende materialer som aluminium for at forbedre deres elektriske og termiske egenskaber.
Men i forsøget på at dyrke CNT’er på aluminium stødte Cui bogstaveligt talt på en barriere: et allestedsnærværende lag af oxid, som belægger aluminium, når det udsættes for luft. Dette oxidlag fungerer som en isolator, der blokerer elektricitet og varme i stedet for at lede dem. Da han ledte efter måder at fjerne aluminiumets oxidlag på, fandt Cui en løsning i salt, eller natriumklorid.
På det tidspunkt brugte Wardles gruppe salt og andre spisekammerprodukter, såsom bagepulver og rengøringsmidler, til at dyrke kulstofnanorør. I deres forsøg med salt bemærkede Cui, at kloridioner åd sig ind på aluminiums overflade og opløste dets oxidlag.
“Denne ætsningsproces er almindelig for mange metaller,” siger Cui. “For eksempel lider skibe under korrosion af klorinbaseret havvand. Nu bruger vi denne proces til vores fordel.”
Cui fandt ud af, at hvis han udblødte aluminiumsfolie i saltvand, kunne han fjerne oxidlaget. Derefter overførte han folien til et iltfrit miljø for at forhindre reoxidation, og til sidst placerede han det ætsede aluminium i en ovn, hvor gruppen udførte teknikker til at dyrke kulstofnanorør via en proces kaldet kemisk dampudfældning.
Gennem at fjerne oxidlaget kunne forskerne dyrke kulstofnanorør på aluminium ved meget lavere temperaturer, end de ellers ville gøre, nemlig omkring 100 grader Celsius. De så også, at kombinationen af CNT’er på aluminium forbedrede materialets termiske og elektriske egenskaber betydeligt – et resultat, som de forventede.
Det, der overraskede dem, var materialets farve.
“Jeg kan huske, at jeg bemærkede, hvor sort det var, før jeg dyrkede kulstofnanorør på det, og efter væksten så det endnu mørkere ud,” husker Cui. “Så jeg tænkte, at jeg burde måle den optiske refleksion af prøven.”
“Vores gruppe fokuserer normalt ikke på materialers optiske egenskaber, men dette arbejde foregik samtidig med vores kunstvidenskabelige samarbejde med Diemut, så kunsten påvirkede videnskaben i dette tilfælde,” siger Wardle.
Wardle og Cui, som har ansøgt om patent på teknologien, gør den nye CNT-proces frit tilgængelig for enhver kunstner, som kan bruge den til et ikke-kommercielt kunstprojekt.
“Bygget til at tage imod misbrug”
Cui målte mængden af lys, der reflekteres af materialet, ikke kun fra direkte over hovedet, men også fra alle andre mulige vinkler. Resultaterne viste, at materialet absorberede mindst 99,995 procent af det indkommende lys, fra alle vinkler. Med andre ord reflekterede det 10 gange mindre lys end alle andre supersorte materialer, herunder Vantablack. Hvis materialet indeholdt ujævnheder, riller eller andre kendetegn af nogen art, ville disse kendetegn, uanset hvilken vinkel det blev betragtet fra, være usynlige og skjult i et tomrum af sort.
Forskerne er ikke helt sikre på den mekanisme, der bidrager til materialets uigennemsigtighed, men de formoder, at det kan have noget at gøre med kombinationen af ætset aluminium, der er noget sortnet, med kulstofnanorørene. Forskerne mener, at skove af kulstofnanorør kan fange og omdanne det meste indkommende lys til varme og kun reflektere meget lidt af det tilbage som lys, hvilket giver CNT’erne en særlig sort nuance.
“CNT-skove af forskellige sorter er kendt for at være ekstremt sorte, men der mangler en mekanistisk forståelse af, hvorfor dette materiale er det sorteste. Det skal undersøges yderligere,” siger Wardle.
Materialet har allerede vundet interesse i luft- og rumfartsmiljøet. Astrofysiker og nobelpristager John Mather, som ikke var involveret i forskningen, undersøger muligheden for at bruge Wardles materiale som grundlag for en stjerneskærm – en massiv sort skærm, der kan beskytte et rumteleskop mod vildfarent lys.
“Optiske instrumenter som kameraer og teleskoper skal slippe af med uønsket blænding, så man kan se det, man gerne vil se,” siger Mather. “Kunne du tænke dig at se en jord i kredsløb om en anden stjerne? Vi har brug for noget meget sort. … Og dette sorte skal være hårdt for at kunne modstå en raketaffyring. Gamle versioner var skrøbelige skove af pels, men disse er mere som gryderensere – bygget til at tage imod misbrug.”
**I en tidligere version af denne historie stod der, at det nye materiale fanger mere end 99,96 procent af det indkommende lys. Det tal er blevet opdateret for at være mere præcist; materialet absorberer mindst 99,995 af det indkommende lys.