Com desculpas ao “Spinal Tap”, parece que o preto pode, de fato, obter mais preto.
Os engenheiros do MIT relatam hoje que cozinharam um material que é 10 vezes mais negro do que qualquer coisa que tenha sido relatada anteriormente. O material é feito de nanotubos de carbono alinhados verticalmente, ou CNTs – filamentos microscópicos de carbono, como uma floresta felpuda de árvores minúsculas, que a equipe cultivou em uma superfície de folha de alumínio com cloro. A folha de alumínio captura pelo menos 99,995 por cento* de qualquer luz recebida, tornando-a o material mais negro do registro.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas hoje na revista ACS-Applied Materials and Interfaces. Eles também estão exibindo o material de capa como parte de uma nova exposição hoje na Bolsa de Valores de Nova York, intitulada “The Redemption of Vanity”
A obra de arte, concebida por Diemut Strebe, um artista em residência no MIT Center for Art, Science, and Technology, em colaboração com Brian Wardle, professor de aeronáutica e astronáutica no MIT, e seu grupo, e o MIT Center for Art, Science, and Technology artist-in-residence Diemut Strebe, apresenta um 16.78 quilates de diamante amarelo natural da LJ West Diamonds, estimado em $ 2 milhões, que a equipe revestiu com o novo material ultra-negro CNT. O efeito é surpreendente: A gema, normalmente brilhantemente facetada, aparece como um vazio liso e preto.
Wardle diz que o material CNT, além de fazer uma declaração artística, também pode ser de uso prático, por exemplo, em cegos ópticos que reduzem o brilho indesejado, para ajudar telescópios espaciais a localizar exoplanetas em órbita.
“Há aplicações ópticas e da ciência espacial para materiais muito pretos, e é claro, os artistas têm se interessado pelo preto, voltando muito antes da Renascença”, diz Wardle. “Nosso material é 10 vezes mais preto do que qualquer coisa que já foi relatada, mas eu acho que o preto mais negro é um alvo em constante movimento”. Alguém vai encontrar um material mais negro, e eventualmente nós entenderemos todos os mecanismos subjacentes, e seremos capazes de engendrar corretamente o derradeiro negro”
O co-autor do trabalho de Wardle é o antigo postdoc do MIT Kehang Cui, agora professor da Shanghai Jiao Tong University.
No vazio
Wardle e Cui não pretendiam engendrar um material ultra-negro. Em vez disso, eles estavam experimentando maneiras de cultivar nanotubos de carbono em materiais condutores de eletricidade, como o alumínio, para aumentar suas propriedades elétricas e térmicas.
Mas ao tentar cultivar CNTs em alumínio, a Cui correu contra uma barreira, literalmente: uma camada sempre presente de óxido que reveste o alumínio quando ele é exposto ao ar. Esta camada de óxido atua como isolante, bloqueando ao invés de conduzir eletricidade e calor. Ao se lançar para formas de remover a camada de óxido de alumínio, Cui encontrou uma solução em sal, ou cloreto de sódio.
Na época, o grupo Wardle usava sal e outros produtos de despensa, tais como bicarbonato de sódio e detergente, para cultivar nanotubos de carbono. Em seus testes com sal, Cui notou que os íons cloreto estavam corroendo a superfície do alumínio e dissolvendo sua camada de óxido.
“Este processo de gravura é comum para muitos metais”, diz Cui. “Por exemplo, os navios sofrem de corrosão da água do oceano à base de cloro. Agora estamos usando este processo a nosso favor”
Cui descobriu que se ele embebesse folha de alumínio em água salgada, ele poderia remover a camada de óxido. Ele então transferiu a folha para um ambiente livre de oxigênio para evitar a reoxidação, e finalmente, colocou o alumínio gravado em um forno, onde o grupo realizou técnicas de cultivo de nanotubos de carbono através de um processo chamado deposição química de vapor.
Abaixo da remoção da camada de óxido, os pesquisadores foram capazes de cultivar nanotubos de carbono em alumínio, a temperaturas muito mais baixas do que de outra forma, em cerca de 100 graus Celsius. Eles também viram que a combinação de CNTs no alumínio aumentou significativamente as propriedades térmicas e elétricas do material – uma descoberta que eles esperavam.
O que os surpreendeu foi a cor do material.
“Eu me lembro de notar como ele era preto antes de cultivar nanotubos de carbono nele, e depois do crescimento, ele parecia ainda mais escuro”, lembra Cui. “Então eu achei que deveria medir a reflectância óptica da amostra.
“Nosso grupo não costuma focar nas propriedades ópticas dos materiais, mas este trabalho estava acontecendo ao mesmo tempo que nossas colaborações arte-ciência com Diemut, então a arte influenciou a ciência neste caso”, diz Wardle.
Wardle e Cui, que solicitaram a patente da tecnologia, estão tornando o novo processo CNT livremente disponível a qualquer artista para uso em um projeto de arte não comercial.
“Built to take abuse”
Cui mediu a quantidade de luz refletida pelo material, não apenas diretamente do overhead, mas também de todos os outros ângulos possíveis. Os resultados mostraram que o material absorveu pelo menos 99,995 por cento da luz recebida, de todos os ângulos. Em outras palavras, refletia 10 vezes menos luz do que todos os outros materiais super-negros, incluindo o Vantablack. Se o material contivesse saliências ou cristas, ou características de qualquer tipo, independentemente do ângulo de onde fosse visto, essas características seriam invisíveis, obscurecidas num vazio de preto.
Os pesquisadores não estão totalmente seguros do mecanismo que contribui para a opacidade do material, mas suspeitam que ele possa ter algo a ver com a combinação do alumínio gravado, que é um pouco escurecido, com os nanotubos de carbono. Os cientistas acreditam que as florestas de nanotubos de carbono podem capturar e converter a maior parte da luz que chega em calor, refletindo muito pouco da mesma como luz, dando assim aos CNTs uma tonalidade particularmente negra.
“As florestas de CNT de diferentes variedades são conhecidas por serem extremamente negras, mas há uma falta de compreensão mecanicista sobre a razão pela qual este material é o mais negro. Isso precisa de mais estudos”, diz Wardle.
O material já está ganhando interesse na comunidade aeroespacial. O astrofísico e ganhador do Prêmio Nobel John Mather, que não estava envolvido na pesquisa, está explorando a possibilidade de usar o material de Wardle como base para uma sombra estelar – uma enorme sombra negra que protegeria um telescópio espacial da luz difusa.
“Instrumentos ópticos como câmeras e telescópios têm que se livrar de brilho indesejado, para que você possa ver o que você quer ver”, diz Mather. “Você gostaria de ver uma Terra orbitando outra estrela? Nós precisamos de algo muito preto. … E este preto tem de ser difícil de suportar o lançamento de um foguetão. As versões antigas eram florestas frágeis de peles, mas estas são mais como esfregadores de erva – construídos para serem abusados”
*Uma versão anterior desta história dizia que o novo material captura mais de 99,96 por cento da luz que chega. Esse número foi atualizado para ser mais preciso; o material absorve pelo menos 99,995 da luz de entrada.