Как создать самый черный материал в мире?

Человечество уже много столетий гонится за самым черным оттенком. Фактически, черный был одним из первых цветов, которые люди смогли создать из угля и сажи еще в доисторические времена. theconversation.com рассказывает, как инженеры обращаются к природе и нанотехнологиям, чтобы получить самый черный материал.

Планк в свое время рассматривал теоретическое поведение идеального абсорбента, поглощающего свет, но сегодня ученым удалось создать материалы, невероятно близкие к его расчетам. Развитие нанотехнологий (инженерии на молекулярном уровне) позволило синтезировать материалы, способные поглощать практически весь спектр видимого света. И чем больше света они поглощают, тем темнее кажется их черный цвет.

Одним из коммерческих примеров является ультра-черный концепт-кар BMW. Он покрыт материалом под названием Vantablack, состоящим из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок; структура материала поглощает любые отражения, из-за чего контуры автомобиля словно сливаются в двухмерный силуэт.

Разработчики Vantablack предоставили эксклюзивную лицензию на использование материала скульптору Анишу Капуру, однако это решение вызвало споры. Многие коллеги Капура возражали, что такая привилегия не должна предоставляться только одному человеку. Однако сам факт эксклюзивности этой лицензии мотивировал различные организации к созданию альтернативных ультра-черных материалов — и продолжает мотивировать нас по сей день.

Идеальное светопоглощение — это теоретический предел, к которому искусственные материалы могут приблизиться, но никогда не достигают. Хотя стоит помнить, что природа отточила свою способность создавать ультрачерные структуры задолго до того, как инженеры научились выращивать леса из углеродных нанотрубок.

Итак, в вечной тьме глубин океана у некоторых видов рыб развилась кожа, способная поглощать почти весь падающий свет. Эффект камуфляжа достигается благодаря нежным структурам на поверхности кожи, которые очень эффективно поглощают фотоны. Такой камуфляж делает рыбу практически невидимой для хищников.

В то же время эволюция использовала тьму и с прямо противоположной целью. Напротив, райские птицы и некоторые бабочки имеют ультрачерные структуры, которые делают их более заметными. Черные участки соседствуют с переливающимися цветами, что за счет поглощения света создает иллюзию настоящей пустоты. Благодаря этому цвета по соседству начинают выглядеть еще ярче и насыщеннее.

Исследования райских птиц показали, что они отражают всего 0,005-0,31% света — эти цифры не слишком далеки от результатов, достигнутых синтетическими материалами, разработанными инженерами в лабораториях. Перья этих птиц содержат специальные бородки, расположенные в виде сеток под углом. Эта структура заставляет свет рассеиваться в несколько раз, что создает бархатистый черный цвет.

Примечательно, что в случае с райской птицей цвета и темнота обусловлены геометрией, морфологией (узорами на поверхности) и топологией (расположением этих узоров). Современные нанотехнологии следуют примеру этой биомиметической стратегии. Ультрачерные покрытия, построенные на углеродных трубках, повторяют решения глубоководных рыб, бабочек и птиц. Миллиарды микроскопических трубок играют роль искусственных оптических ловушек, образуя плотные лабиринты, в которых цветные фотоны просто теряются. В результате получается синтетический материал, который может легко конкурировать по оптическим характеристикам с самыми черными поверхностями в дикой природе.

Сегодня такие материалы используются там, где нежелательные отражения могут каким-то образом испортить результат. Например, в астрономии ими покрывают внутреннюю поверхность телескопов; в противном случае яркий свет близлежащих звезд замаскировал бы отражения далеких галактик и планет. В микроскопах высокого разрешения и научных камерах ультрачерные поверхности помогают минимизировать отражения, которые могут размыть изображения. А в спектроскопии и квантовом сканировании они подавляют фоновый шум — иначе учёным было бы сложно обнаружить слабые сигналы от молекул и фотонов.

Светопоглощающие материалы также улучшают контроль температуры, что делает их идеальными для космических кораблей, спутников и высокопроизводительной электроники, где даже малейшие изменения температуры могут повлиять на производительность.