Met excuses aan “Spinal Tap,” it appears that black can, indeed, get more black.
MIT engineers report today that they have cooked up a material that is 10 times blacker than anything that has previously been reported. Het materiaal is gemaakt van verticaal uitgelijnde koolstof nanobuisjes, of CNTs – microscopische filamenten van koolstof, als een wazig bos van kleine bomen, die het team groeide op een oppervlak van chloor-geëtst aluminiumfolie. De folie vangt ten minste 99,995 procent* van het invallende licht op, waardoor het het zwartste materiaal is dat ooit is gemaakt.
De onderzoekers hebben hun bevindingen vandaag gepubliceerd in het tijdschrift ACS-Applied Materials and Interfaces. Zij tonen het mantel-achtige materiaal ook als onderdeel van een nieuwe tentoonstelling vandaag op de New York Stock Exchange, getiteld “The Redemption of Vanity.”
Het kunstwerk, ontworpen door Diemut Strebe, een artiest-in-residence bij het MIT Center for Art, Science, and Technology, in samenwerking met Brian Wardle, hoogleraar luchtvaart en astronautiek aan het MIT, en zijn groep, en MIT Center for Art, Science, and Technology artiest-in-residence Diemut Strebe, bevat een 16.78 karaat natuurlijke gele diamant van LJ West Diamonds, geschat op een waarde van $2 miljoen, die het team heeft gecoat met het nieuwe, ultrazwarte CNT-materiaal. Het effect is verbluffend: De edelsteen, normaal briljant gefacetteerd, verschijnt als een vlakke, zwarte leegte.
Wardle zegt dat het CNT-materiaal, afgezien van het maken van een artistiek statement, ook van praktisch nut kan zijn, bijvoorbeeld in optische blindering die ongewenste schittering vermindert, om ruimtetelescopen te helpen omcirkelende exoplaneten te spotten.
“Er zijn optische en ruimtewetenschappelijke toepassingen voor zeer zwarte materialen, en natuurlijk zijn kunstenaars geïnteresseerd geweest in zwart, ver teruggaand voor de Renaissance,” zegt Wardle. “Ons materiaal is tien keer zwarter dan alles wat ooit is gerapporteerd, maar ik denk dat het zwartste zwart een voortdurend bewegend doel is. Iemand zal een zwarter materiaal vinden, en uiteindelijk zullen we alle onderliggende mechanismen begrijpen, en zullen we in staat zijn om het ultieme zwart goed te ontwikkelen.”
Wardle’s co-auteur op het papier is voormalig MIT postdoc Kehang Cui, nu een professor aan de Shanghai Jiao Tong University.
Into the void
Wardle en Cui waren niet van plan om een ultrazwart materiaal te ontwikkelen. In plaats daarvan experimenteerden ze met manieren om koolstofnanobuisjes te laten groeien op elektrisch geleidende materialen zoals aluminium, om hun elektrische en thermische eigenschappen te verbeteren.
Maar bij zijn pogingen om CNTs op aluminium te laten groeien, stuitte Cui op een barrière, letterlijk: een altijd aanwezige oxidelaag die aluminium bedekt wanneer het aan lucht wordt blootgesteld. Deze oxidelaag werkt als een isolator, die elektriciteit en warmte eerder blokkeert dan geleidt. Toen hij op zoek ging naar manieren om de oxidelaag van aluminium te verwijderen, vond Cui een oplossing in zout, of natriumchloride.
Op dat moment gebruikte de groep van Wardle zout en andere producten uit de voorraadkast, zoals zuiveringszout en afwasmiddel, om koolstofnanobuisjes te laten groeien. In hun tests met zout merkte Cui dat chloride-ionen het oppervlak van aluminium aan het wegvreten waren en de oxidelaag oplosten.
“Dit etsproces is gebruikelijk voor veel metalen,” zegt Cui. “Schepen hebben bijvoorbeeld te lijden onder corrosie van chloorhoudend oceaanwater. Nu gebruiken we dit proces in ons voordeel.”
Cui ontdekte dat als hij aluminiumfolie in zout water liet weken, hij de oxidelaag kon verwijderen. Vervolgens bracht hij de folie over naar een zuurstofvrije omgeving om reoxidatie te voorkomen, en ten slotte plaatste hij het geëtste aluminium in een oven, waar de groep technieken uitvoerde om koolstofnanobuisjes te laten groeien via een proces dat chemische dampdepositie wordt genoemd.
Door de oxidelaag te verwijderen, waren de onderzoekers in staat om koolstofnanobuisjes op aluminium te laten groeien, bij veel lagere temperaturen dan ze anders zouden doen, met ongeveer 100 graden Celsius. Ze zagen ook dat de combinatie van CNTs op aluminium de thermische en elektrische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk verbeterde – een bevinding die ze verwachtten.
Wat hen verraste was de kleur van het materiaal.
“Ik herinner me dat ik opmerkte hoe zwart het was voordat ik er koolstofnanobuisjes op liet groeien, en na de groei zag het er nog donkerder uit,” herinnert Cui zich. “Dus ik dacht dat ik de optische reflectie van het monster moest meten.”
“Onze groep richt zich meestal niet op optische eigenschappen van materialen, maar dit werk was gaande op hetzelfde moment als onze kunst-wetenschapssamenwerking met Diemut, dus kunst beïnvloedde de wetenschap in dit geval,” zegt Wardle.
Wardle en Cui, die patent hebben aangevraagd op de technologie, stellen het nieuwe CNT-proces vrij beschikbaar aan elke kunstenaar om te gebruiken voor een niet-commercieel kunstproject.
“Gebouwd om tegen een stootje te kunnen”
Cui mat de hoeveelheid licht die door het materiaal werd weerkaatst, niet alleen van recht boven het hoofd, maar ook vanuit elke andere mogelijke hoek. De resultaten toonden aan dat het materiaal ten minste 99,995 procent van het binnenkomende licht absorbeerde, vanuit elke hoek. Met andere woorden, het reflecteerde 10 keer minder licht dan alle andere superzwarte materialen, inclusief Vantablack. Als het materiaal hobbels of richels bevatte, of kenmerken van welke aard dan ook, vanuit welke hoek het ook werd bekeken, zouden deze kenmerken onzichtbaar zijn, verduisterd in een leegte van zwart.
De onderzoekers zijn niet helemaal zeker van het mechanisme dat bijdraagt aan de ondoorzichtigheid van het materiaal, maar zij vermoeden dat het iets te maken kan hebben met de combinatie van geëtst aluminium, dat enigszins zwart is gemaakt, met de koolstof nanobuisjes. Wetenschappers denken dat bossen koolstofnanobuizen het meeste inkomende licht kunnen opvangen en omzetten in warmte, en slechts weinig daarvan terugkaatsen als licht, waardoor CNT’s een bijzonder zwarte tint krijgen.
“Het is bekend dat CNT-bossen van verschillende variëteiten extreem zwart zijn, maar er is een gebrek aan mechanistisch inzicht in de reden waarom dit materiaal het zwartst is. Dat moet verder worden onderzocht,” zegt Wardle.
Het materiaal krijgt al belangstelling in de lucht- en ruimtevaartgemeenschap. Astrofysicus en Nobelprijswinnaar John Mather, die niet bij het onderzoek betrokken was, onderzoekt de mogelijkheid om Wardle’s materiaal te gebruiken als basis voor een sterrenkap – een massieve zwarte kap die een ruimtetelescoop zou afschermen van strooilicht.
“Optische instrumenten zoals camera’s en telescopen moeten zich ontdoen van ongewenste schittering, zodat je kunt zien wat je wilt zien,” zegt Mather. “Wil je een aarde zien die om een andere ster draait? We hebben iets heel zwarts nodig. … En dit zwart moet bestand zijn tegen een raketlancering. Oude versies waren fragiele bossen van bont, maar deze zijn meer als pottenwassers – gebouwd om tegen een stootje te kunnen.”
*In een eerdere versie van dit verhaal stond dat het nieuwe materiaal meer dan 99,96 procent van het binnenkomende licht opvangt. Dat getal is nu nauwkeuriger; het materiaal absorbeert ten minste 99,995 procent van het invallende licht.