With apologies to „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. Materiał jest wykonany z pionowo ustawionych nanorurek węglowych, czyli CNT – mikroskopijnych włókien węgla, przypominających rozmyty las maleńkich drzewek, które zespół wyhodował na powierzchni folii aluminiowej trawionej chlorem. Folia przechwytuje co najmniej 99,995 procent* każdego przychodzącego światła, co czyni ją najczarniejszym materiałem w historii.
Badacze opublikowali swoje odkrycia dzisiaj w czasopiśmie ACS-Applied Materials and Interfaces. Pokazują również materiał przypominający pelerynę jako część nowej wystawy dziś na nowojorskiej giełdzie, zatytułowanej „The Redemption of Vanity.”
Opracowanie, wymyślone przez Diemuta Strebe, artystę-rezydenta w MIT Center for Art, Science, and Technology, we współpracy z Brianem Wardle, profesorem aeronautyki i astronautyki w MIT, i jego grupą oraz MIT Center for Art, Science, and Technology artist-in-residence Diemut Strebe, zawiera 16.78-karatowy naturalny żółty diament z LJ West Diamonds, którego wartość szacuje się na 2 miliony dolarów, a który zespół pokrył nowym, ultra-czarnym materiałem CNT. Efekt jest zaskakujący: Klejnot, normalnie wspaniale fasetowany, jawi się jako płaska, czarna pustka.
Wardle mówi, że materiał CNT, oprócz artystycznego oświadczenia, może mieć również praktyczne zastosowanie, na przykład w optycznych żaluzjach, które zmniejszają niepożądane odblaski, aby pomóc teleskopom kosmicznym dostrzec orbitujące egzoplanety.
„Istnieją optyczne i kosmiczne zastosowania naukowe dla bardzo czarnych materiałów i oczywiście artyści byli zainteresowani czernią, sięgając daleko przed renesansem” – mówi Wardle. „Nasz materiał jest 10 razy czarniejszy niż cokolwiek, co kiedykolwiek zostało zgłoszone, ale myślę, że najczarniejsza czerń jest ciągle zmieniającym się celem. Ktoś znajdzie czarniejszy materiał, a w końcu zrozumiemy wszystkie podstawowe mechanizmy i będziemy w stanie odpowiednio zaprojektować ostateczną czerń.”
Współautorem pracy Wardle’a jest były postdoc MIT Kehang Cui, obecnie profesor na Shanghai Jiao Tong University.
Into the void
Wardle i Cui nie zamierzali stworzyć ultra czarnego materiału. Zamiast tego, eksperymentowali z metodami wzrostu nanorurek węglowych na elektrycznie przewodzących materiałach, takich jak aluminium, aby zwiększyć ich właściwości elektryczne i termiczne.
Ale próbując wyhodować CNTs na aluminium, Cui napotkał barierę, dosłownie: wszechobecną warstwę tlenku, która pokrywa aluminium, gdy jest ono wystawione na działanie powietrza. Ta warstwa tlenku działa jak izolator, raczej blokując niż przewodząc elektryczność i ciepło. Szukając sposobów na usunięcie warstwy tlenku aluminium, Cui znalazł rozwiązanie w soli, czyli chlorku sodu.
W tym czasie grupa Wardle’a używała soli i innych produktów ze spiżarni, takich jak soda oczyszczona i detergenty, do hodowli nanorurek węglowych. W swoich testach z solą, Cui zauważył, że jony chlorkowe zżerają powierzchnię aluminium i rozpuszczają jego warstwę tlenku.
„Ten proces trawienia jest powszechny dla wielu metali,” mówi Cui. „Na przykład, statki cierpią z powodu korozji spowodowanej chlorowaną wodą oceaniczną. Teraz wykorzystujemy ten proces na naszą korzyść.”
Cui odkrył, że jeśli namoczył folię aluminiową w słonej wodzie, mógł usunąć warstwę tlenku. Następnie przeniósł folię do środowiska beztlenowego, aby zapobiec ponownemu utlenianiu, a na koniec umieścił wytrawione aluminium w piekarniku, gdzie grupa przeprowadziła techniki wzrostu nanorurek węglowych w procesie zwanym chemicznym osadzaniem par.
Poprzez usunięcie warstwy tlenku, naukowcy byli w stanie wyhodować nanorurki węglowe na aluminium, w znacznie niższych temperaturach niż w przeciwnym razie, o około 100 stopni Celsjusza. Zauważyli również, że połączenie CNTs na aluminium znacznie poprawiło właściwości termiczne i elektryczne materiału – co było zgodne z ich oczekiwaniami.
To, co ich zaskoczyło, to kolor materiału.
„Pamiętam, że zauważyłem, jak czarny był przed wzrostem nanorurek węglowych, a następnie po wzroście, wyglądał jeszcze ciemniej,” wspomina Cui. „Pomyślałem więc, że powinienem zmierzyć reflektancję optyczną próbki.
„Nasza grupa zwykle nie skupia się na właściwościach optycznych materiałów, ale ta praca toczyła się w tym samym czasie, co nasza współpraca artystyczno-naukowa z firmą Diemut, więc w tym przypadku sztuka wpłynęła na naukę” – mówi Wardle.
Wardle i Cui, którzy złożyli wniosek o opatentowanie technologii, udostępniają nowy proces CNT każdemu artyście do wykorzystania w niekomercyjnym projekcie artystycznym.
„Built to take abuse”
Cui zmierzył ilość światła odbitego przez materiał, nie tylko bezpośrednio znad głowy, ale także pod każdym innym możliwym kątem. Wyniki pokazały, że materiał pochłonął co najmniej 99,995 procent światła przychodzącego, pod każdym kątem. Innymi słowy, odbijał 10 razy mniej światła niż wszystkie inne superczarne materiały, w tym Vantablack. Jeśli materiał zawierałby nierówności lub grzbiety, lub jakiekolwiek inne cechy, bez względu na to, pod jakim kątem byłby oglądany, byłyby one niewidoczne, ukryte w czarnej pustce.
Badacze nie są całkowicie pewni mechanizmu przyczyniającego się do nieprzezroczystości materiału, ale podejrzewają, że może to mieć coś wspólnego z połączeniem wytrawionego aluminium, które jest nieco poczerniałe, z nanorurkami węglowymi. Naukowcy uważają, że lasy nanorurek węglowych mogą przechwytywać i konwertować większość przychodzącego światła na ciepło, odbijając bardzo niewiele z niego z powrotem jako światło, dając w ten sposób CNTs szczególnie czarny odcień.
„Wiadomo, że lasy CNT różnych odmian są wyjątkowo czarne, ale brakuje mechanicznego zrozumienia, dlaczego ten materiał jest najczarniejszy. To wymaga dalszych badań”, mówi Wardle.
Materiał ten już zyskuje zainteresowanie w społeczności lotniczej i kosmicznej. Astrofizyk i laureat Nagrody Nobla John Mather, który nie brał udziału w badaniach, bada możliwość wykorzystania materiału Wardle’a jako podstawy dla gwiezdnego klosza – masywnego czarnego klosza, który osłaniałby teleskop kosmiczny przed zabłąkanym światłem.
„Instrumenty optyczne, takie jak kamery i teleskopy, muszą pozbyć się niechcianych odblasków, abyś mógł zobaczyć to, co chcesz zobaczyć” – mówi Mather. „Czy chciałbyś zobaczyć Ziemię krążącą wokół innej gwiazdy? Potrzebujemy czegoś bardzo czarnego. … I ta czerń musi być wytrzymała, aby wytrzymać start rakiety. Stare wersje były kruche lasy futra, ale te są bardziej jak skrubery garnków – zbudowane, aby wziąć nadużycie.”
*Wcześniejsza wersja tej historii stwierdził, że nowy materiał przechwytuje więcej niż 99,96 procent przychodzącego światła. Ta liczba została zaktualizowana, aby być bardziej precyzyjnym; materiał pochłania co najmniej 99,995 przychodzącego światła.