A “Spinal Tap”-tól elnézést kérve, úgy tűnik, hogy a fekete valóban lehet még feketébb.
MIT mérnökei ma jelentették, hogy olyan anyagot fejlesztettek ki, amely tízszer feketébb minden eddig ismertnél. Az anyag függőlegesen egymáshoz igazított szén nanocsövekből, azaz CNT-kből áll – mikroszkopikus szénszálakból, mint apró fák bolyhos erdeje, amelyeket a csapat klórral maratott alumíniumfólia felületén növesztett. A fólia a beérkező fény legalább 99,995 százalékát* felfogja, így ez a legfeketébb anyag, amit valaha is találtak.
A kutatók eredményeiket ma tették közzé az ACS-Applied Materials and Interfaces című folyóiratban. A köpenyszerű anyagot egy új kiállítás részeként is bemutatják ma a New York-i tőzsdén, “A hiúság megváltása” címmel.”
A műalkotás, amelyet Diemut Strebe, az MIT Center for Art, Science, and Technology rezidens művésze, Brian Wardle, az MIT űrhajózás és űrhajózás professzorának és csoportjának, valamint az MIT Center for Art, Science, and Technology rezidens művészének, Diemut Strebe-nek az együttműködésével tervezett, egy 16 16.78 karátos természetes sárga gyémántot az LJ West Diamonds-tól, amelynek becsült értéke 2 millió dollár, és amelyet a csapat az új, ultrafekete CNT-anyaggal vont be. A hatás lenyűgöző: Az általában ragyogóan fazettált drágakő lapos, fekete ürességnek tűnik.
Wardle szerint a CNT-anyagnak a művészi megjelenés mellett gyakorlati haszna is lehet, például a nem kívánt tükröződést csökkentő optikai vakokban, amelyek segítenek az űrteleszkópoknak a keringő exobolygók észlelésében.
“A nagyon fekete anyagoknak vannak optikai és űrtudományi alkalmazásai, és természetesen a művészeket is érdekelte a fekete, már jóval a reneszánsz előtt is” – mondja Wardle. “A mi anyagunk tízszer feketébb, mint bármi, amiről valaha is beszámoltak, de úgy gondolom, hogy a legfeketébb fekete egy folyamatosan mozgó célpont. Valaki találni fog egy még feketébb anyagot, és végül megértjük az összes mögöttes mechanizmust, és képesek leszünk megfelelően megtervezni a végső feketét.”
Wardle társszerzője a tanulmányban az MIT korábbi posztdoktora, Kehang Cui, aki jelenleg a Shanghai Jiao Tong University professzora.
Into the void
Wardle és Cui nem akartak ultrafekete anyagot létrehozni. Ehelyett azzal kísérleteztek, hogyan lehet szén nanocsöveket növeszteni olyan elektromosan vezető anyagokon, mint az alumínium, hogy növeljék elektromos és termikus tulajdonságaikat.
De amikor megpróbálták a CNT-ket alumíniumon növeszteni, Cui a szó szoros értelmében akadályba ütközött: egy állandóan jelenlévő oxidrétegbe, amely bevonja az alumíniumot, amikor az levegővel érintkezik. Ez az oxidréteg szigetelőként működik, inkább blokkolja, mint vezeti az elektromosságot és a hőt. Miközben az alumínium oxidréteg eltávolításának módjait kereste, Cui a sóban, azaz a nátrium-kloridban találta meg a megoldást.
A Wardle csoportja akkoriban sót és más háztartási termékeket, például szódabikarbónát és mosószert használt szén nanocsövek növesztésére. A sóval végzett kísérleteik során Cui észrevette, hogy a kloridionok szétmarják az alumínium felületét, és feloldják annak oxidrétegét.
“Ez a maratási folyamat sok fém esetében általános” – mondja Cui. “A hajók például szenvednek a klóros óceánvíz okozta korróziótól. Most ezt a folyamatot használjuk ki.”
Cui rájött, hogy ha az alumíniumfóliát sós vízben áztatja, el tudja távolítani az oxidréteget. Ezután oxigénmentes környezetbe helyezte a fóliát, hogy megakadályozza a reoxidációt, végül pedig a maratott alumíniumot egy kemencébe helyezte, ahol a csoport olyan technikákat hajtott végre, amelyekkel szén nanocsöveket növesztettek a kémiai gőzleválasztásnak nevezett eljárással.
Az oxidréteg eltávolításával a kutatók képesek voltak szén nanocsöveket növeszteni az alumíniumon, sokkal alacsonyabb hőmérsékleten, mintegy 100 Celsius-fokkal, mint egyébként tennék. Azt is látták, hogy a CNT-k kombinációja az alumíniumon jelentősen javította az anyag termikus és elektromos tulajdonságait – erre a megállapításra számítottak.
Ami meglepte őket, az az anyag színe volt.
“Emlékszem, hogy észrevettem, milyen fekete volt, mielőtt szén nanocsöveket növesztettek rá, majd a növesztés után még sötétebbnek tűnt” – emlékszik vissza Cui. “Ezért arra gondoltam, hogy meg kellene mérni a minta optikai visszaverő képességét.”
“A csoportunk általában nem foglalkozik az anyagok optikai tulajdonságaival, de ez a munka a Diemut-tal való művészeti-tudományos együttműködésünkkel egy időben zajlott, így a művészet ebben az esetben befolyásolta a tudományt” – mondja Wardle.
Wardle és Cui, akik szabadalmat kértek a technológiára, az új CNT-eljárást szabadon hozzáférhetővé teszik bármely művész számára, aki nem kereskedelmi célú művészeti projekthez használhatja.
“A bántalmazás elviselésére épült”
Cui megmérte az anyag által visszavert fény mennyiségét, nemcsak közvetlenül felülről, hanem minden más lehetséges szögből is. Az eredmények azt mutatták, hogy az anyag a beérkező fény legalább 99,995 százalékát elnyelte, minden szögből. Más szóval, tízszer kevesebb fényt ver vissza, mint az összes többi szuperfekete anyag, beleértve a Vantablacket is. Ha az anyag tartalmazott volna dudorokat vagy barázdákat, vagy bármilyen jellegzetességet, függetlenül attól, hogy milyen szögből nézték, ezek a jellegzetességek láthatatlanok lettek volna, eltakarva a fekete ürességben.
A kutatók nem teljesen biztosak abban, hogy milyen mechanizmus járul hozzá az anyag átlátszatlanságához, de gyanítják, hogy valami köze lehet a maratott, kissé megfeketedett alumínium és a szén nanocsövek kombinációjához. A tudósok úgy vélik, hogy a szén nanocsövekből álló erdők képesek csapdába ejteni és hővé alakítani a beérkező fény nagy részét, és csak nagyon keveset ver vissza belőle fényként, ami a CNT-knek különösen fekete árnyalatot kölcsönöz.
“A különböző fajtájú CNT-erdőkről ismert, hogy rendkívül feketék, de hiányzik a mechanisztikus megértés arról, hogy miért ez az anyag a legfeketébb. Ez további vizsgálatokat igényel” – mondja Wardle.
Az anyag máris érdeklődésre tart számot a repülőgépiparban. Az asztrofizikus és Nobel-díjas John Mather, aki nem vett részt a kutatásban, vizsgálja annak lehetőségét, hogy Wardle anyagát egy csillagárnyékoló alapjául használják – egy masszív fekete árnyékoló, amely egy űrteleszkópot védene a zavaró fénytől.
“Az olyan optikai eszközöknek, mint a kamerák és a távcsövek, meg kell szabadulniuk a nem kívánt tükröződéstől, hogy láthassák, amit látni akarnak” – mondja Mather. “Szeretne látni egy másik csillag körül keringő Földet? Valami nagyon feketére van szükségünk. … És ennek a feketének keménynek kell lennie, hogy ellenálljon egy rakétaindításnak. A régi változatok törékeny bundaerdők voltak, de ezek inkább olyanok, mint a cserépmosók – úgy építették őket, hogy bírják a bántalmazást.”
*Ez a cikk egy korábbi verziója azt állította, hogy az új anyag a bejövő fény több mint 99,96 százalékát felfogja. Ezt a számot frissítettük, hogy pontosabb legyen; az anyag a bejövő fény legalább 99,995 százalékát elnyeli.