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比黑更黑的材料

一种新型材料可以吸收高达99.9%的可见光,它有望用于隐形技术和太空望远镜之中。

一黑到底

黑色材料有着很大的用途。它可以帮助太阳能热水器从阳光中捕获更多的能量,吸收太空望远镜内部不需要的反射光线,还可以应用在军事隐身技术之中。

但是,当前得到应用的最好的黑色材料只能吸收大约90%的可见光。为了提高吸收率,材料科学家们走向了“黑暗结构学”:使用纳米结构涂层来捕获几乎所有打过来的光子。

近几年来,研究人员使用碳纳米管——一种只有一个原子厚的碳制圆筒——已经创造了一些更黑的材料。2014年,一家英国公司推出了一个名为“Vantablack”的材料,可以吸收超过99.9%的可见光。Vantablack材料里的碳纳米管就像一片微小的稻田一样,每一个碳纳米管大约有22到44微米高,这些纳米管形成的涂层的厚度大约相当于人类头发宽度的一半。飞过来的光子会在这些纳米管之间不断地反弹,直到其能量最终变成热量。

但是,Vantablack材料的吸光能力只是在特定角度上效果最优。另外,这些碳纳米管需要加热到大约400℃才能成型,需要大量热量,意味着它们不能作为涂层附着在耐热性差的材料表面。那么,有没有办法使得材料可以在各个角度都能充分吸收光,而且不需要加热?

超白的甲虫

像许多材料科学家们所做的那样,来自沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学的研究人员决定从大自然中寻找灵感。不过,它们不是从某种黑色的东西,而是从一种白色的东西找到了灵感。

这种白色的东西是一种生活于东南亚地区的白色甲壳虫,叫做白金龟,它的外壳上覆盖着鳞片,就像瓦片覆盖屋顶那样,不过其鳞片只有大约5微米厚。这层鳞片因极为白亮而闻名,它比白纸还要白上10多倍,而且也比人类制造出的任何白色都要白。研究人员推测,白金龟的鳞片善于从各个角度散射光。

那么,白金龟里的鳞片是怎么做到这一点的呢?

2007年,科学家发现白金龟的鳞片布满着由坚硬的壳多糖构成的细长线条。其中,壳多糖是昆虫和甲壳纲动物的外骨骼的主要组成部分。Vantablack材料里的碳纳米管是直直地立着,而壳多糖线条却是与白金龟的外壳是平行的。

这些线条十分密集,就像Vantablack材料里的碳纳米管一样。但是,碳纳米管的宽度都是一样的,而壳多糖线条稍显混乱,有着不同的宽度。线条这种随机的特性,一般被研究人员称之为无序性,给了白金龟难以置信的白。因为这种无序性使得各种波长的光子从任何方向撞到壳多糖线条时,都会向着各个方向等量地散射开来,所以从各个角度都能看到各种波长的光子混合在一起产生的白色光。

长着包的纳米棒

阿卜杜拉国王科技大学的研究人员对这个无序结构产生了好奇:它能否帮助我们制造出超级黑的材料呢?

于是,他们设计了一个无序多孔的材料,能像海绵吸水一样把光子都吸收过来。他们首先用金制出了一些中空的纳米棒,每一个大约有80纳米长。当它们与某种化合物发生反应后,每个纳米棒都可以长出一个直径为30纳米的完美金球。这样,每一个纳米棒都像一个细杆上长了一个包。这些金球则是产生无序性的关键。

每一个球表面上都分布着许多孔隙,实际上它们是光子的单向阀门。当一个光子通过孔隙进入内部后,它会在球的内部不断反射,直到抵达球与杆的衔接处。一旦光子穿过衔接处进入空心杆内后,就会困在其中——光子会在内部不断反射,直到所有的能量以热的形式散尽。

孔隙在球的表面是随机排列的,这种无序性就像白金龟的壳多糖线条一样,可以从各个角度等量地吸收光线。研究人员发现,这些纳米棒可以有效地吸收波长从400到1400纳米的光,也就是可以吸收可见光以及红外线。而Vantablack材料主要吸收可见光,而这种新型纳米材料的吸收范围还延伸到了红外线,这意味着它可以应用在红外太空望远镜中。

当前的太阳能加热技术中,通常使用黑硅来当作吸收阳光的材料。黑硅可以吸收92%的可见光。不过,上面这种新型纳米材料被许多人士认为是一个“激动人心的突破”。因为它具有更强的吸收能力,而且还能吸收红外线,如果得到应用的话,将具有广阔前景。

另外,这些黄金纳米棒很容易制作,可稀释为液体并喷在其他物体表面上,而且不需要加热到高温。

那么,一个绝对的黑色材料——就像一个黑洞那样能吞噬100%的光子——是否能成为现实呢?研究人员推测,即便存在可能,实现起来也极为困难。虽然我们还没有发现材料的吸收率存在理论上限,但任何材料的表面总会产生不必要的反射。所以我们目前应努力地开发地球上最黑暗的材料,让黑洞暂时先洋洋得意一阵子。


(本文源自大科技*科学之谜2016年第2期文章)

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