Med ursäkt till ”Spinal Tap” verkar det som om svart faktiskt kan bli ännu svartare.
MIT-ingenjörer rapporterar i dag att de har kokat ihop ett material som är tio gånger svartare än något som tidigare har rapporterats. Materialet är tillverkat av vertikalt riktade kolnanorör, eller CNT – mikroskopiska koltrådar, som en luddig skog av små träd, som teamet odlade på en yta av klorinetsad aluminiumfolie. Folien fångar upp minst 99,995 procent* av allt inkommande ljus, vilket gör den till det svartaste materialet någonsin.
Forskarna har publicerat sina resultat idag i tidskriften ACS-Applied Materials and Interfaces. De visar också upp det mantelliknande materialet som en del av en ny utställning i dag på New York Stock Exchange, med titeln ”The Redemption of Vanity.”
Konstverket, som har utformats av Diemut Strebe, artist-in-residence vid MIT:s center för konst, vetenskap och teknik, i samarbete med Brian Wardle, professor i flyg- och rymdteknik vid MIT, och hans grupp, och MIT:s center för konst, vetenskap och teknik artist-in-residence Diemut Strebe, har en 16.78 karat naturlig gul diamant från LJ West Diamonds, som beräknas vara värd 2 miljoner dollar, som gruppen har belagt med det nya, ultrasvarta CNT-materialet. Effekten är slående: Wardle säger att CNT-materialet, förutom att vara ett konstnärligt uttryck, också kan ha praktisk användning, t.ex. i optiska mörkläggningar som minskar oönskad bländning för att hjälpa rymdteleskop att upptäcka exoplaneter i omloppsbana.
”Det finns optiska och rymdvetenskapliga användningsområden för mycket svarta material, och konstnärer har förstås varit intresserade av svart, vilket har funnits långt före renässansen”, säger Wardle. ”Vårt material är tio gånger svartare än något som någonsin har rapporterats, men jag tror att det svartaste svarta är ett ständigt rörligt mål. Någon kommer att hitta ett svartare material, och så småningom kommer vi att förstå alla underliggande mekanismer och kunna konstruera det ultimata svarta på rätt sätt.”
Wardles medförfattare till artikeln är Kehang Cui, tidigare postdoktorand vid MIT och numera professor vid Shanghai Jiao Tong University.
Into the void
Wardle och Cui hade inte för avsikt att konstruera ett ultrasvart material. Istället experimenterade de med sätt att odla kolnanorör på elektriskt ledande material som aluminium för att öka deras elektriska och termiska egenskaper.
Men när Cui försökte odla CNT:er på aluminium stötte han på en barriär, bokstavligt talat: ett ständigt närvarande lager av oxid som täcker aluminium när det utsätts för luft. Detta oxidskikt fungerar som en isolator och blockerar snarare än leder elektricitet och värme. När han letade efter sätt att avlägsna aluminiumets oxidskikt hittade Cui en lösning i salt, eller natriumklorid.
På den tiden använde Wardles grupp salt och andra skafferiprodukter, som bakpulver och tvättmedel, för att odla kolnanorör. I sina tester med salt märkte Cui att kloridjoner åt upp aluminiumets yta och löste upp dess oxidskikt.
”Denna etsningsprocess är vanlig för många metaller”, säger Cui. ”Fartyg drabbas till exempel av korrosion av klorinbaserat havsvatten. Nu använder vi denna process till vår fördel.”
Cui upptäckte att om han blötlägger aluminiumfolie i saltvatten kan han avlägsna oxidskiktet. Han överförde sedan folien till en syrefri miljö för att förhindra reoxidation och slutligen placerade han det etsade aluminiumet i en ugn, där gruppen utförde tekniker för att odla kolnanorör via en process som kallas kemisk förångningsdeposition.
Då forskarna avlägsnade oxidskiktet kunde forskarna odla kolnanorör på aluminium, vid mycket lägre temperaturer än vad som annars hade varit fallet, med cirka 100 grader Celsius. De såg också att kombinationen av CNT på aluminium avsevärt förbättrade materialets termiska och elektriska egenskaper – ett resultat som de förväntade sig.
Det som överraskade dem var materialets färg.
”Jag minns att jag noterade hur svart det var innan jag odlade kolnanorör på det, och efter tillväxten såg det ännu mörkare ut”, minns Cui. ”Så jag tänkte att jag borde mäta provets optiska reflektion.”
”Vår grupp fokuserar vanligtvis inte på materialens optiska egenskaper, men det här arbetet pågick samtidigt som vårt konstvetenskapliga samarbete med Diemut, så konsten påverkade vetenskapen i det här fallet”, säger Wardle.
Wardle och Cui, som har ansökt om patent på tekniken, gör den nya CNT-processen fritt tillgänglig för alla konstnärer som kan använda den för ett icke-kommersiellt konstprojekt.
”Byggd för att ta emot misshandel”
Cui mätte mängden ljus som reflekterades av materialet, inte bara från rakt ovanför huvudet, utan även från alla andra möjliga vinklar. Resultaten visade att materialet absorberade minst 99,995 procent av inkommande ljus, från alla vinklar. Med andra ord reflekterade det 10 gånger mindre ljus än alla andra supersvarta material, inklusive Vantablack. Om materialet innehöll ojämnheter eller kammar eller egenskaper av något slag skulle dessa egenskaper, oavsett från vilken vinkel det betraktades, vara osynliga, döljda i ett tomrum av svart.
Forskarna är inte helt säkra på vilken mekanism som bidrar till materialets opacitet, men de misstänker att det kan ha något att göra med kombinationen av etsat aluminium, som är något svärtat, med kolnanorören. Forskarna tror att skogar av kolnanorör kan fånga upp och omvandla det mesta av inkommande ljus till värme och reflektera mycket lite av det tillbaka som ljus, vilket ger CNT:erna en särskilt svart nyans.
”CNT-skogar av olika sorter är kända för att vara extremt svarta, men det saknas en mekanistisk förståelse för varför det här materialet är det svartaste. Det behöver studeras ytterligare”, säger Wardle.
Materialet väcker redan intresse inom flygindustrin. Astrofysikern och nobelpristagaren John Mather, som inte var inblandad i forskningen, undersöker möjligheten att använda Wardles material som grund för en stjärnskugga – en massiv svart skuggning som skulle skydda ett rymdteleskop från ströljus.
”Optiska instrument som kameror och teleskop måste bli av med oönskad bländning, så att man kan se det man vill se”, säger Mather. ”Skulle du vilja se en jord som kretsar kring en annan stjärna? Vi behöver något mycket svart. … Och det svarta måste vara tåligt för att klara av en raketuppskjutning. Gamla versioner var ömtåliga skogar av päls, men de här är mer som grytskrubbar – byggda för att tåla misshandel.”
**En tidigare version av den här artikeln uppgav att det nya materialet fångar upp mer än 99,96 procent av det inkommande ljuset. Den siffran har uppdaterats för att vara mer exakt; materialet absorberar minst 99,995 av inkommande ljus.