Mit Verlaub, es scheint, dass Schwarz tatsächlich noch schwärzer werden kann.
MIT-Ingenieure berichten heute, dass sie ein Material entwickelt haben, das zehnmal schwärzer ist als alles bisher Dagewesene. Das Material besteht aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) – mikroskopisch kleinen Kohlenstofffäden, die wie ein unscharfer Wald aus winzigen Bäumen aussehen -, die das Team auf einer mit Chlor geätzten Aluminiumfolie wachsen ließ. Die Folie fängt mindestens 99,995 Prozent* des einfallenden Lichts ein und ist damit das schwärzeste Material aller Zeiten.
Die Forscher haben ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift ACS-Applied Materials and Interfaces veröffentlicht. Außerdem präsentieren sie das tarnähnliche Material heute im Rahmen einer neuen Ausstellung an der New Yorker Börse mit dem Titel „The Redemption of Vanity“ (Die Erlösung der Eitelkeit).
Das Kunstwerk, das von Diemut Strebe, einer Gastkünstlerin am MIT Center for Art, Science and Technology, in Zusammenarbeit mit Brian Wardle, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik am MIT, und seiner Gruppe konzipiert wurde, zeigt einen 16.78-Karat-Naturdiamanten von LJ West Diamonds im Wert von schätzungsweise 2 Millionen Dollar, den das Team mit dem neuen, ultraschwarzen CNT-Material beschichtete. Der Effekt ist verblüffend: Der Edelstein, der normalerweise brillant facettiert ist, erscheint als flache, schwarze Leere.
Wardle sagt, dass das CNT-Material nicht nur ein künstlerisches Statement abgibt, sondern auch von praktischem Nutzen sein könnte, zum Beispiel in optischen Scheuklappen, die unerwünschte Blendung reduzieren, um Weltraumteleskopen zu helfen, umkreisende Exoplaneten zu erkennen.
„Es gibt optische und weltraumwissenschaftliche Anwendungen für sehr schwarze Materialien, und natürlich haben sich Künstler schon lange vor der Renaissance für Schwarz interessiert“, sagt Wardle. „Unser Material ist zehnmal schwärzer als alles, was bisher bekannt ist, aber ich denke, dass das schwärzeste Schwarz ein sich ständig bewegendes Ziel ist. Irgendjemand wird ein noch schwärzeres Material finden, und irgendwann werden wir alle zugrundeliegenden Mechanismen verstehen und in der Lage sein, das ultimative Schwarz zu entwickeln.“
Wardles Co-Autor der Arbeit ist der ehemalige MIT-Postdoc Kehang Cui, der jetzt Professor an der Shanghai Jiao Tong University ist.
In die Leere
Wardle und Cui hatten nicht die Absicht, ein ultraschwarzes Material zu entwickeln. Stattdessen experimentierten sie mit Möglichkeiten, Kohlenstoffnanoröhren auf elektrisch leitenden Materialien wie Aluminium zu züchten, um deren elektrische und thermische Eigenschaften zu verbessern.
Aber bei dem Versuch, CNTs auf Aluminium zu züchten, stieß Cui buchstäblich auf eine Barriere: eine allgegenwärtige Oxidschicht, die Aluminium überzieht, wenn es der Luft ausgesetzt ist. Diese Oxidschicht wirkt wie ein Isolator, der Elektrizität und Wärme eher blockiert als leitet. Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Oxidschicht des Aluminiums zu entfernen, fand Cui eine Lösung in Salz oder Natriumchlorid.
Zu dieser Zeit verwendete die Gruppe um Wardle Salz und andere Haushaltsprodukte wie Backpulver und Waschmittel, um Kohlenstoff-Nanoröhren zu züchten. Bei ihren Tests mit Salz stellte Cui fest, dass Chloridionen die Aluminiumoberfläche angriffen und die Oxidschicht auflösten.
„Dieser Ätzprozess ist bei vielen Metallen üblich“, sagt Cui. „Zum Beispiel leiden Schiffe unter der Korrosion des chlorhaltigen Meerwassers.
Cui fand heraus, dass er die Oxidschicht entfernen konnte, wenn er Aluminiumfolie in Salzwasser eintauchte. Anschließend brachte er die Folie in eine sauerstofffreie Umgebung, um eine Reoxidation zu verhindern, und legte das geätzte Aluminium in einen Ofen, in dem die Gruppe Techniken für das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren durch ein Verfahren namens chemische Gasphasenabscheidung durchführte.
Durch die Entfernung der Oxidschicht konnten die Forscher Kohlenstoffnanoröhren auf Aluminium wachsen lassen, und zwar bei viel niedrigeren Temperaturen als sie es sonst tun würden, nämlich bei etwa 100 Grad Celsius. Sie sahen auch, dass die Kombination von CNTs auf Aluminium die thermischen und elektrischen Eigenschaften des Materials deutlich verbesserte – ein Ergebnis, das sie erwartet hatten.
Was sie überraschte, war die Farbe des Materials.
„Ich erinnere mich, dass ich bemerkte, wie schwarz es war, bevor ich Kohlenstoffnanoröhren darauf wachsen ließ, und nach dem Wachstum sah es noch dunkler aus“, erinnert sich Cui. Also dachte ich, ich sollte den optischen Reflexionsgrad der Probe messen.“
„Normalerweise konzentriert sich unsere Gruppe nicht auf die optischen Eigenschaften von Materialien, aber diese Arbeit fand zur gleichen Zeit statt wie unsere künstlerisch-wissenschaftliche Zusammenarbeit mit Diemut, so dass die Kunst in diesem Fall die Wissenschaft beeinflusste“, sagt Wardle.
Wardle und Cui, die die Technologie zum Patent angemeldet haben, stellen das neue CNT-Verfahren jedem Künstler zur freien Verfügung, der es für ein nichtkommerzielles Kunstprojekt nutzen möchte.
„Built to take abuse“
Cui hat die Lichtmenge gemessen, die von dem Material reflektiert wurde, und zwar nicht nur von oben, sondern auch aus jedem anderen möglichen Winkel. Die Ergebnisse zeigten, dass das Material mindestens 99,995 Prozent des einfallenden Lichts aus jedem Winkel absorbierte. Mit anderen Worten: Es reflektierte 10 Mal weniger Licht als alle anderen superschwarzen Materialien, einschließlich Vantablack. Wenn das Material Unebenheiten oder Erhebungen oder Merkmale jeglicher Art enthielte, wären diese Merkmale unabhängig vom Betrachtungswinkel unsichtbar, verdeckt in einer schwarzen Leere.
Die Forscher sind sich nicht ganz sicher, welcher Mechanismus zur Undurchsichtigkeit des Materials beiträgt, aber sie vermuten, dass es etwas mit der Kombination von geätztem Aluminium, das etwas geschwärzt ist, mit den Kohlenstoff-Nanoröhren zu tun haben könnte. Die Wissenschaftler glauben, dass Wälder aus Kohlenstoffnanoröhren das meiste einfallende Licht einfangen und in Wärme umwandeln können und nur sehr wenig davon als Licht zurückreflektieren, was den CNTs einen besonders schwarzen Farbton verleiht.
„Es ist bekannt, dass CNT-Wälder verschiedener Sorten extrem schwarz sind, aber es fehlt ein mechanistisches Verständnis dafür, warum dieses Material das schwärzeste ist. Das muss weiter erforscht werden“, sagt Wardle.
Das Material stößt in der Luft- und Raumfahrtbranche bereits auf Interesse. Der Astrophysiker und Nobelpreisträger John Mather, der nicht an der Forschung beteiligt war, untersucht die Möglichkeit, Wardles Material als Grundlage für einen Sternenschirm zu verwenden – einen massiven schwarzen Schirm, der ein Weltraumteleskop vor Streulicht abschirmen würde.
„Optische Instrumente wie Kameras und Teleskope müssen unerwünschtes Blendlicht abhalten, damit man sehen kann, was man sehen will“, sagt Mather. „Würden Sie gerne eine Erde sehen, die einen anderen Stern umkreist? Wir brauchen etwas sehr Schwarzes. … Und dieses Schwarz muss robust sein, um einem Raketenstart standzuhalten. Die alten Versionen waren zerbrechliche Wälder aus Fell, aber diese sind eher wie Topfkratzer – gebaut, um Missbrauch zu ertragen.“
*In einer früheren Version dieses Artikels hieß es, dass das neue Material mehr als 99,96 Prozent des einfallenden Lichts einfängt. Diese Zahl wurde aktualisiert, um präziser zu sein; das Material absorbiert mindestens 99,995 Prozent des einfallenden Lichts.