Con le scuse di “Spinal Tap”, sembra che il nero possa, effettivamente, diventare più nero.
Gli ingegneri del MIT riferiscono oggi di aver preparato un materiale che è 10 volte più nero di qualsiasi cosa che sia stata precedentemente riportata. Il materiale è fatto da nanotubi di carbonio allineati verticalmente, o CNTs – microscopici filamenti di carbonio, come una foresta confusa di piccoli alberi, che il team è cresciuto su una superficie di foglio di alluminio clorurato. Il foglio cattura almeno il 99,995 per cento* di qualsiasi luce in arrivo, rendendolo il materiale più nero su record.
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati oggi sulla rivista ACS-Applied Materials and Interfaces. Stanno anche mostrando il materiale simile a un mantello come parte di una nuova mostra oggi al New York Stock Exchange, intitolata “The Redemption of Vanity.”
L’opera d’arte, concepita da Diemut Strebe, un artista in residenza al MIT Center for Art, Science, and Technology, in collaborazione con Brian Wardle, professore di aeronautica e astronautica al MIT, e il suo gruppo, e il MIT Center for Art, Science, and Technology artist-in-residence Diemut Strebe, presenta un diamante giallo naturale da 16.78 carati di diamante giallo naturale di LJ West Diamonds, stimato per un valore di 2 milioni di dollari, che il team ha rivestito con il nuovo materiale ultra nero CNT. L’effetto è sorprendente: La gemma, normalmente sfaccettata in modo brillante, appare come un vuoto piatto e nero.
Wardle dice che il materiale CNT, oltre a fare una dichiarazione artistica, può anche essere di uso pratico, per esempio nei paraocchi ottici che riducono il bagliore indesiderato, per aiutare i telescopi spaziali a individuare gli esopianeti in orbita.
“Ci sono applicazioni ottiche e di scienza spaziale per materiali molto neri, e naturalmente, gli artisti sono stati interessati al nero, risalendo ben prima del Rinascimento”, dice Wardle. “Il nostro materiale è 10 volte più nero di qualsiasi cosa che sia mai stata riportata, ma penso che il nero più nero sia un obiettivo in continuo movimento. Qualcuno troverà un materiale più nero, e alla fine capiremo tutti i meccanismi sottostanti, e saremo in grado di progettare correttamente il nero definitivo.”
Il coautore di Wardle è l’ex postdoc del MIT Kehang Cui, ora professore alla Shanghai Jiao Tong University.
Nel vuoto
Wardle e Cui non avevano intenzione di progettare un materiale ultra nero. Invece, stavano sperimentando modi per far crescere i nanotubi di carbonio su materiali elettricamente conduttivi come l’alluminio, per aumentare le loro proprietà elettriche e termiche.
Ma nel tentativo di far crescere i CNT sull’alluminio, Cui si è scontrato con una barriera, letteralmente: uno strato sempre presente di ossido che riveste l’alluminio quando è esposto all’aria. Questo strato di ossido agisce come un isolante, bloccando piuttosto che condurre l’elettricità e il calore. Mentre cercava un modo per rimuovere lo strato di ossido di alluminio, Cui ha trovato una soluzione nel sale, o cloruro di sodio.
All’epoca, il gruppo di Wardle stava usando il sale e altri prodotti da dispensa, come il bicarbonato e il detersivo, per far crescere i nanotubi di carbonio. Nei loro test con il sale, Cui ha notato che gli ioni di cloruro stavano mangiando la superficie dell’alluminio e dissolvendo il suo strato di ossido.
“Questo processo di incisione è comune per molti metalli”, dice Cui. “Per esempio, le navi soffrono della corrosione dell’acqua dell’oceano a base di cloro. Ora stiamo usando questo processo a nostro vantaggio”
Cui ha scoperto che se immergeva un foglio di alluminio in acqua salata, poteva rimuovere lo strato di ossido. Ha poi trasferito il foglio in un ambiente privo di ossigeno per evitare la riossidazione e, infine, ha messo l’alluminio inciso in un forno, dove il gruppo ha eseguito tecniche per far crescere i nanotubi di carbonio attraverso un processo chiamato deposizione chimica da vapore.
Rimuovendo lo strato di ossido, i ricercatori sono stati in grado di far crescere i nanotubi di carbonio sull’alluminio, a temperature molto più basse di quelle che avrebbero altrimenti, di circa 100 gradi Celsius. Hanno anche visto che la combinazione di CNT su alluminio ha migliorato significativamente le proprietà termiche ed elettriche del materiale – una scoperta che si aspettavano.
Quello che li ha sorpresi è stato il colore del materiale.
“Ricordo di aver notato quanto fosse nero prima di far crescere i nanotubi di carbonio su di esso, e poi dopo la crescita, sembrava ancora più scuro”, ricorda Cui. “Così ho pensato che avrei dovuto misurare la riflettanza ottica del campione.
“Il nostro gruppo di solito non si concentra sulle proprietà ottiche dei materiali, ma questo lavoro stava andando avanti allo stesso tempo delle nostre collaborazioni arte-scienza con Diemut, quindi l’arte ha influenzato la scienza in questo caso”, dice Wardle.
Wardle e Cui, che hanno richiesto un brevetto sulla tecnologia, stanno rendendo il nuovo processo CNT liberamente disponibile a qualsiasi artista da utilizzare per un progetto artistico non commerciale.
“Costruito per subire abusi”
Cui ha misurato la quantità di luce riflessa dal materiale, non solo direttamente dall’alto, ma anche da ogni altro angolo possibile. I risultati hanno mostrato che il materiale ha assorbito almeno il 99,995% della luce in arrivo, da ogni angolo. In altre parole, rifletteva 10 volte meno luce di tutti gli altri materiali superblack, compreso il Vantablack. Se il materiale conteneva dossi o creste, o caratteristiche di qualsiasi tipo, non importa da quale angolo fosse visto, queste caratteristiche sarebbero state invisibili, oscurate in un vuoto di nero.
I ricercatori non sono del tutto sicuri del meccanismo che contribuisce all’opacità del materiale, ma sospettano che possa avere qualcosa a che fare con la combinazione di alluminio inciso, che è un po’ annerito, con i nanotubi di carbonio. Gli scienziati credono che le foreste di nanotubi di carbonio possano intrappolare e convertire la maggior parte della luce in entrata in calore, riflettendone pochissima come luce, dando così ai CNT una tonalità particolarmente nera.
“Le foreste di CNT di diverse varietà sono note per essere estremamente nere, ma manca la comprensione meccanica del perché questo materiale sia il più nero. Questo ha bisogno di ulteriori studi”, dice Wardle.
Il materiale sta già guadagnando interesse nella comunità aerospaziale. L’astrofisico e premio Nobel John Mather, che non è stato coinvolto nella ricerca, sta esplorando la possibilità di utilizzare il materiale di Wardle come base per una tonalità stellare – una massiccia tonalità nera che schermerebbe un telescopio spaziale dalla luce parassita.
“Strumenti ottici come telecamere e telescopi devono sbarazzarsi di riflessi indesiderati, in modo da poter vedere ciò che si vuole vedere”, dice Mather. “Vorresti vedere una Terra che orbita intorno a un’altra stella? Abbiamo bisogno di qualcosa di molto nero. … E questo nero deve essere duro per resistere al lancio di un razzo. Le vecchie versioni erano fragili foreste di pelliccia, ma queste sono più simili a scrubber di pentole – costruite per sopportare abusi.”
*Una versione precedente di questa storia affermava che il nuovo materiale cattura più del 99,96% della luce in arrivo. Quel numero è stato aggiornato per essere più preciso; il materiale assorbe almeno il 99,995 della luce in entrata.