MIT:n insinöörit raportoivat tänään, että he ovat kehittäneet materiaalin, joka on 10 kertaa mustempi kuin mikään aiemmin raportoitu. Materiaali on valmistettu pystysuoraan suunnatuista hiilinanoputkista eli CNT:istä – mikroskooppisen pienistä hiilifilamenteista, jotka ovat kuin sumea metsä pieniä puita, ja joita tiimi kasvatti kloorilla etsatun alumiinifolion pinnalla. Kalvo vangitsee vähintään 99,995 prosenttia* kaikesta saapuvasta valosta, mikä tekee siitä kaikkien aikojen mustimman materiaalin.
Tutkijat ovat julkaisseet tuloksensa tänään ACS-Applied Materials and Interfaces -lehdessä. He myös esittelevät verhoa muistuttavaa materiaalia osana uutta näyttelyä tänään New Yorkin pörssissä, jonka nimi on ”The Redemption of Vanity.”
Taideteos, jonka on suunnitellut MIT:n taiteen, tieteen ja teknologian keskuksen residenssitaiteilija Diemut Strebe yhteistyössä MIT:n ilmailu- ja astronautiikan professorin Brian Wardlen ja hänen ryhmänsä sekä MIT:n taiteen, tieteen ja teknologian keskuksen residenssitaiteilijan Diemut Streben ryhmän kanssa, sisältää 16.78 karaatin luonnollista keltaista timanttia LJ West Diamondsilta, jonka arvo on arviolta 2 miljoonaa dollaria ja jonka ryhmä pinnoitti uudella, ultramustalla CNT-materiaalilla. Vaikutus on pysäyttävä: Normaalisti loistavasti hiottu jalokivi näyttää litteältä, mustalta tyhjiöltä.
Wardle sanoo, että CNT-materiaalista voi olla taiteellisen ilmaisun lisäksi myös käytännön hyötyä, esimerkiksi optisissa häikäisysuojissa, jotka vähentävät ei-toivottua häikäisyä ja auttavat avaruusteleskooppeja havaitsemaan kierteleviä eksoplaneettoja.
”Hyvin mustille materiaaleille on olemassa optisia ja avaruustieteellisiä käyttökohteita, ja taiteilijat ovat olleet kiinnostuneita mustasta väristä jo kauan ennen renessanssia”
Wardle sanoo. ”Meidän materiaalimme on 10 kertaa mustempaa kuin mikään koskaan raportoitu, mutta uskon, että mustin musta on jatkuvasti liikkuva kohde. Joku löytää vielä mustemman materiaalin, ja lopulta ymmärrämme kaikki taustalla olevat mekanismit ja pystymme kunnolla suunnittelemaan äärimmäisen mustan.”
Wardlen toinen kirjoittaja on entinen MIT:n postdoc Kehang Cui, joka toimii nykyään professorina Shanghain Jiao Tong -yliopistossa.
Tyhjään tilaan
Wardle ja Cui eivät aikoneet suunnitella ultramustaa materiaalia. Sen sijaan he kokeilivat tapoja kasvattaa hiilinanoputkia sähköä johtaviin materiaaleihin, kuten alumiiniin, parantaakseen niiden sähköisiä ja lämpöominaisuuksia.
Mutta yrittäessään kasvattaa CNT:tä alumiinin päälle Cui törmäsi esteeseen, kirjaimellisesti: alati läsnä olevaan oksidikerrokseen, joka peittää alumiinin, kun se altistuu ilmalle. Tämä oksidikerros toimii eristeenä, joka pikemminkin estää kuin johtaa sähköä ja lämpöä. Kun hän etsi keinoja alumiinin oksidikerroksen poistamiseksi, Cui löysi ratkaisun suolasta eli natriumkloridista.
Wardlen ryhmä käytti tuolloin suolaa ja muita ruokakauppatuotteita, kuten ruokasoodaa ja pesuainetta, hiilinanoputkien kasvattamiseen. Suolalla tehdyissä testeissä Cui huomasi, että kloridi-ionit söivät alumiinin pintaa ja liukenivat sen oksidikerrosta.
”Tämä syövytysprosessi on yleinen monille metalleille”, Cui sanoo. ”Esimerkiksi laivat kärsivät klooripohjaisen meriveden aiheuttamasta korroosiosta. Nyt käytämme tätä prosessia hyödyksemme.”
Cui huomasi, että jos hän liotti alumiinifoliota suolavedessä, hän pystyi poistamaan oksidikerroksen. Sen jälkeen hän siirsi folion hapettomaan ympäristöön estääkseen uudelleen hapettumisen, ja lopuksi laittoi syövytetyn alumiinin uuniin, jossa ryhmä suoritti tekniikoita hiilinanoputkien kasvattamiseksi kemialliseksi höyrypinnoitukseksi kutsutun prosessin avulla.
Poistamalla oksidikerroksen tutkijat pystyivät kasvattamaan hiilinanoputkia alumiinin pinnalle paljon alhaisemmissa lämpötiloissa kuin muutoin, noin 100 celsiusastetta. He myös huomasivat, että CNT:iden yhdistäminen alumiiniin paransi merkittävästi materiaalin lämpö- ja sähköisiä ominaisuuksia – havainto, jota he odottivat.
Mikä yllätti heidät, oli materiaalin väri.
”Muistan huomanneeni, kuinka musta se oli ennen hiilinanoputkien kasvattamista sen päälle, ja sitten kasvattamisen jälkeen se näytti vielä tummemmalta”, Cui muistelee. ”Joten ajattelin, että minun pitäisi mitata näytteen optinen heijastuskyky.”
”Ryhmämme ei yleensä keskity materiaalien optisiin ominaisuuksiin, mutta tämä työ oli käynnissä samaan aikaan kuin taiteen ja tieteen yhteistyömme Diemutin kanssa, joten taide vaikutti tässä tapauksessa tieteeseen”, Wardle sanoo.
Wardle ja Cui, jotka ovat hakeneet teknologialle patenttia, antavat uuden CNT-prosessin vapaasti kaikkien taiteilijoiden käyttöön ei-kaupalliseen taideprojektiin.
”Rakennettu kestämään pahoinpitelyä”
Cui mittasi materiaalin heijastaman valon määrän, ei vain suoraan yläpuolelta, vaan myös jokaisesta muusta mahdollisesta kulmasta. Tulokset osoittivat, että materiaali imi vähintään 99,995 prosenttia saapuvasta valosta, joka kulmasta. Toisin sanoen se heijasti 10 kertaa vähemmän valoa kuin kaikki muut supermustat materiaalit, myös Vantablack. Jos materiaalissa olisi kuoppia tai harjanteita tai minkäänlaisia piirteitä, riippumatta siitä, mistä kulmasta sitä katsottiin, nämä piirteet olisivat näkymättömiä ja peittyisivät mustaan tyhjyyteen.
Tutkijat eivät ole täysin varmoja mekanismista, joka vaikuttaa materiaalin läpinäkymättömyyteen, mutta he epäilevät, että sillä voi olla jotain tekemistä jonkin verran mustuneen syövytetyn alumiinin ja hiilinanoputkien yhdistelmän kanssa. Tutkijat uskovat, että hiilinanoputkista koostuvat metsät voivat vangita ja muuntaa suurimman osan saapuvasta valosta lämmöksi ja heijastaa siitä hyvin vähän takaisin valona, mikä antaa CNT:lle erityisen mustan sävyn.
”Eri lajikkeiden CNT-metsät ovat tunnetusti erittäin mustia, mutta mekanistinen ymmärrys siitä, miksi tämä materiaali on mustin, puuttuu. Se vaatii lisätutkimuksia”, Wardle sanoo.
Materiaali herättää jo nyt kiinnostusta ilmailu- ja avaruusalalla. Astrofyysikko ja Nobel-palkittu John Mather, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, tutkii mahdollisuutta käyttää Wardlen materiaalia pohjana tähtivarjostimelle – massiiviselle mustalle varjostimelle, joka suojaisi avaruusteleskooppia hajavalolta.
”Optisten instrumenttien, kuten kameroiden ja teleskooppien, on päästävä eroon ei-toivotusta häikäisystä, jotta näkee sen, mitä haluaa nähdä”, Mather sanoo. ”Haluaisitko nähdä maapallon kiertämässä toista tähteä? Tarvitsemme jotain hyvin mustaa. … Ja tämän mustan on oltava kovaa, jotta se kestää raketin laukaisun. Vanhat versiot olivat hauraita karvapeitteisiä metsiä, mutta nämä ovat pikemminkin kuin kattilanpesureita – ne on rakennettu kestämään pahoinpitelyä.”
*Tämän jutun aiemmassa versiossa kerrottiin, että uusi materiaali vangitsee yli 99,96 prosenttia saapuvasta valosta. Luku on päivitetty tarkemmaksi; materiaali absorboi vähintään 99,995 prosenttia saapuvasta valosta.