Avec des excuses à « Spinal Tap », il semble que le noir puisse, en effet, devenir plus noir.
Les ingénieurs du MIT rapportent aujourd’hui qu’ils ont cuisiné un matériau qui est 10 fois plus noir que tout ce qui a été rapporté auparavant. Le matériau est fait de nanotubes de carbone alignés verticalement, ou CNT – des filaments microscopiques de carbone, comme une forêt floue de minuscules arbres, que l’équipe a fait pousser sur une surface de feuille d’aluminium gravée au chlore. La feuille d’aluminium capte au moins 99,995 %* de toute lumière entrante, ce qui en fait le matériau le plus noir jamais enregistré.
Les chercheurs ont publié leurs résultats aujourd’hui dans la revue ACS-Applied Materials and Interfaces. Ils présentent également le matériau ressemblant à une cape dans le cadre d’une nouvelle exposition aujourd’hui à la Bourse de New York, intitulée « The Redemption of Vanity »
L’œuvre d’art, conçue par Diemut Strebe, artiste en résidence au Centre d’art, de science et de technologie du MIT, en collaboration avec Brian Wardle, professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT, et son groupe, et Diemut Strebe, artiste en résidence au Centre d’art, de science et de technologie du MIT, présente un diamant jaune naturel de 16.78 carats de LJ West Diamonds, dont la valeur est estimée à 2 millions de dollars, que l’équipe a recouvert du nouveau matériau CNT ultra-noir. L’effet est saisissant : La gemme, normalement brillamment facettée, apparaît comme un vide noir et plat.
Selon Wardle, le matériau CNT, en plus d’être une déclaration artistique, pourrait également avoir une utilité pratique, par exemple dans les stores optiques qui réduisent les éblouissements indésirables, pour aider les télescopes spatiaux à repérer les exoplanètes en orbite.
« Il existe des applications optiques et de sciences spatiales pour les matériaux très noirs, et bien sûr, les artistes se sont intéressés au noir, en remontant bien avant la Renaissance », explique Wardle. « Notre matériau est 10 fois plus noir que tout ce qui a déjà été rapporté, mais je pense que le noir le plus noir est une cible en constante évolution. Quelqu’un trouvera un matériau plus noir, et finalement nous comprendrons tous les mécanismes sous-jacents, et serons en mesure de concevoir correctement le noir ultime. »
Le co-auteur de Wardle sur l’article est l’ancien postdoc du MIT Kehang Cui, maintenant professeur à l’Université Jiao Tong de Shanghai.
Dans le vide
Wardle et Cui n’avaient pas l’intention de concevoir un matériau ultra-noir. Au lieu de cela, ils expérimentaient des moyens de faire croître des nanotubes de carbone sur des matériaux électriquement conducteurs tels que l’aluminium, afin de renforcer leurs propriétés électriques et thermiques.
Mais en tentant de faire croître des NTC sur de l’aluminium, Cui s’est heurté à une barrière, littéralement : une couche d’oxyde omniprésente qui recouvre l’aluminium lorsqu’il est exposé à l’air. Cette couche d’oxyde agit comme un isolant, bloquant l’électricité et la chaleur au lieu de les conduire. Alors qu’il cherchait des moyens d’éliminer la couche d’oxyde de l’aluminium, Cui a trouvé une solution dans le sel, ou chlorure de sodium.
À l’époque, le groupe de Wardle utilisait le sel et d’autres produits du garde-manger, comme le bicarbonate de soude et le détergent, pour faire pousser des nanotubes de carbone. Lors de leurs tests avec le sel, Cui a remarqué que les ions chlorure rongeaient la surface de l’aluminium et dissolvaient sa couche d’oxyde.
« Ce processus de gravure est commun à de nombreux métaux », explique Cui. « Par exemple, les navires souffrent de la corrosion de l’eau de mer à base de chlore. Maintenant, nous utilisons ce processus à notre avantage. »
Cui a découvert qu’en trempant une feuille d’aluminium dans l’eau salée, il pouvait enlever la couche d’oxyde. Il a ensuite transféré la feuille dans un environnement sans oxygène pour empêcher la réoxydation, et enfin, a placé l’aluminium gravé dans un four, où le groupe a effectué des techniques pour faire croître des nanotubes de carbone via un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur.
En retirant la couche d’oxyde, les chercheurs ont pu faire croître des nanotubes de carbone sur l’aluminium, à des températures beaucoup plus basses qu’elles ne le feraient autrement, d’environ 100 degrés Celsius. Ils ont également constaté que la combinaison des NTC sur l’aluminium améliorait considérablement les propriétés thermiques et électriques du matériau – un résultat auquel ils s’attendaient.
Ce qui les a surpris, c’est la couleur du matériau.
« Je me souviens avoir remarqué à quel point il était noir avant de faire croître des nanotubes de carbone dessus, puis après la croissance, il semblait encore plus sombre », se souvient Cui. « J’ai donc pensé que je devrais mesurer la réflectance optique de l’échantillon.
« Notre groupe ne se concentre généralement pas sur les propriétés optiques des matériaux, mais ce travail se déroulait en même temps que nos collaborations art-science avec Diemut, donc l’art a influencé la science dans ce cas », explique Wardle.
Wardle et Cui, qui ont déposé une demande de brevet pour cette technologie, mettent gratuitement le nouveau procédé CNT à la disposition de tout artiste pour qu’il l’utilise dans le cadre d’un projet artistique non commercial.
« Construit pour subir des abus »
Cui a mesuré la quantité de lumière réfléchie par le matériau, non seulement directement au-dessus de la tête, mais aussi sous tous les autres angles possibles. Les résultats ont montré que le matériau absorbait au moins 99,995 % de la lumière entrante, sous tous les angles. En d’autres termes, il réfléchit 10 fois moins de lumière que tous les autres matériaux super noirs, y compris le Vantablack. Si le matériau contenait des bosses ou des crêtes, ou des caractéristiques de quelque nature que ce soit, quel que soit l’angle sous lequel il était vu, ces caractéristiques seraient invisibles, obscurcies dans un vide de noir.
Les chercheurs ne sont pas tout à fait sûrs du mécanisme contribuant à l’opacité du matériau, mais ils soupçonnent que cela pourrait avoir un rapport avec la combinaison de l’aluminium gravé, qui est quelque peu noirci, avec les nanotubes de carbone. Les scientifiques pensent que les forêts de nanotubes de carbone peuvent piéger et convertir la plupart de la lumière entrante en chaleur, en en renvoyant très peu sous forme de lumière, ce qui donne aux CNT une teinte particulièrement noire.
« Les forêts de CNT de différentes variétés sont connues pour être extrêmement noires, mais il manque une compréhension mécanistique de la raison pour laquelle ce matériau est le plus noir. Cela doit faire l’objet d’une étude plus approfondie », déclare Wardle.
Le matériau suscite déjà l’intérêt de la communauté aérospatiale. L’astrophysicien et lauréat du prix Nobel John Mather, qui n’a pas participé à la recherche, explore la possibilité d’utiliser le matériau de Wardle comme base d’une ombre d’étoile – une ombre noire massive qui protégerait un télescope spatial de la lumière parasite.
« Les instruments optiques comme les caméras et les télescopes doivent se débarrasser des éblouissements indésirables, afin que vous puissiez voir ce que vous voulez voir », explique Mather. « Aimeriez-vous voir une Terre en orbite autour d’une autre étoile ? Nous avons besoin de quelque chose de très noir. … Et ce noir doit être résistant pour supporter le lancement d’une fusée. Les anciennes versions étaient de fragiles forêts de fourrure, mais celles-ci ressemblent davantage à des épurateurs de pots – construits pour subir des abus. »
*Une version antérieure de cette histoire indiquait que le nouveau matériau capturait plus de 99,96 % de la lumière entrante. Ce chiffre a été mis à jour pour être plus précis : le matériau absorbe au moins 99,995 % de la lumière entrante.