Самый темный материал, известный человечеству, называется Vantablack. Разработанный компанией Surrey NanoSystems в Великобритании, Vantablack установил новый рекорд в 2014 году как вещество, поглощающее больше всего света, почти не отражая его обратно в глаз. Это приводит к чрезвычайно темному черному цвету, который, кажется, просто поглощает любой свет, который на него попадает. Но с тех пор, как Vantablack был впервые разработан, появились некоторые новые ультрачерные материалы, которые могут поглощать еще больше света. Так есть ли что-то, что может превзойти Vantablack с точки зрения темноты?
Материал кажется черным, когда он поглощает большинство видимых световых длин волн и отражает очень мало обратно в глаз. Чем больше света поглощает материал, тем темнее он будет казаться. Большинство «черных» материалов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, на самом деле являются просто очень темными оттенками серого, отражающими около 3-5% света. Настоящие ультрачерные материалы отражают гораздо меньше света — 0,05% или даже меньше. Вот факторы, которые позволяют материалу достичь такого глубокого, темного черного цвета:
– Наноструктура – Материалы с крошечными наномасштабными текстурами поверхности могут улавливать и поглощать свет через чрезвычайно маленькие полости и каналы. Это предотвращает отражение света от поверхности.
– Низкая отражательная способность – Плоские матовые поверхности отражают меньше света, чем глянцевые или блестящие. Ультрачерные покрытия разработаны с очень низкой собственной отражательной способностью.
– Множественное поглощение света – Использование нескольких слоев и материалов с различными светопоглощающими свойствами максимизирует поглощение во всем видимом спектре.
– Внутреннее рассеяние – Материалы, рассеивающие свет внутри посредством хаотических отражений, имеют меньше шансов на то, что свет выйдет обратно.
– Светопоглощающие красители – Фотопоглощающие красители или пигменты могут преобразовывать световую энергию в тепло, а не отражать ее обратно.
Оптимизируя все эти факторы, ультрачерные материалы могут стать чрезвычайно близкими к идеально черному цвету с 0% отражательной способностью. Но есть ли что-то темнее Vantablack?
Vantablack — это покрытие, состоящее из вертикально выровненных массивов углеродных нанотрубок. Когда свет попадает на Vantablack, вместо того, чтобы отражаться от поверхности, он оказывается запертым внутри леса углеродных нанотрубок и непрерывно отклоняется между крошечными углеродными структурами, пока не поглотится и не превратится в тепло.
| Свойство Vantablack | Измерение |
|---|---|
| Отражение | 0,035% |
| Общее полусферическое отражение | 0,043% |
Как показывают приведенные выше измерения, Vantablack поглощает более 99,96% видимого света, что делает его самым темным материалом, когда-либо измеренным, когда он был впервые представлен. Этот уровень поглощения света визуально воспринимается человеческим глазом как «пустота» — участок абсолютной и полной черноты, в котором, кажется, исчезает весь свет. Его описывают как «смотрение в дыру, прорезанную во вселенной».
С момента первоначального внедрения Vantablack в 2014 году компания Surrey NanoSystems продолжила разработку улучшенных версий технологии:
Vantablack S-VIS — версия S-VIS имеет более распыляемую формулу, что упрощает нанесение на объекты, а не только на плоские поверхности. Она поглощает до 99,8% видимого света.
Vantablack VBx2 — выпущенная в 2019 году, VBx2 основана на версии S-VIS. Ее можно распылять на сложные трехмерные объекты, и она поглощает до 99,96% света, что соответствует оригинальному Vantablack.
Vantablack 2.0 — новейшая версия была анонсирована в 2022 году. Она включает в себя акриловое связующее для улучшения адгезии и механической стабильности. Поглощение остается на уровне до 99,96%.
Хотя оригинальный Vantablack по-прежнему остается самым темным измеренным материалом, его производные соответствуют его показателям с точки зрения поглощения света. Но превзошли ли Vantablack какие-либо другие ультрачерные материалы?
Появилось несколько новых ультрачерных веществ, которые могут поглощать даже больше света, чем Vantablack, хотя точные измерения еще не проведены:
Леса углеродных нанотрубок — в 2019 году исследователи из Массачусетского технологического института вырастили леса углеродных нанотрубок, используя другую технологию, чем Surrey NanoSystems. Ранние измерения показывают, что он может поглощать более 99,995% света.
Superblack — покрытие из никель-фосфорного сплава, которое может поглощать до 99,97% видимого света. Все еще проходит тестирование.
Black 3.0 — проект Kickstarter по созданию акриловой краски, состоящей из нескольких черных пигментов. Разработчики заявляют о полной отражательной способности менее 0,5%.
Diatomaceous Carbon — частицы диоксида кремния, извлеченные из скелетов водорослей, могут образовывать покрытие низкой плотности для получения глубокого черного цвета. Сообщается об отражательной способности 0,3–1,5%.
| Материал | Расчетное поглощение света |
|---|---|
| Vantablack | 99,965% |
| Углеродные нанотрубки MIT | 99,995%+ |
| Superblack | 99,97% |
Хотя некоторые из этих материалов потенциально могут превзойти Vantablack по производительности, они еще не прошли полный процесс тестирования и проверки, чтобы официально свергнуть Vantablack как самое темное известное вещество. Но они демонстрируют быстрые темпы прогресса в области ультрачерных покрытий.
Зачем разрабатывать такие исключительно темные материалы? Каковы области применения и использования этих ультрачерных покрытий?
Оптика и датчики — Покрытие линз телескопов и оптических датчиков космического базирования уменьшает рассеянный свет для более четких изображений.
Искусство и дизайн — Скульптуры и поверхности зданий, покрытые ультрачерным, создают уникальные визуальные эффекты, играя со светом и тенью.
Мода — Одежда и аксессуары используют его для эффектного стиля.
Солнечные элементы — Поглощение более 99% света снижает потери на отражение, повышая эффективность.
Тепловизионное изображение — Чисто черная «точка отсчета» улучшает калибровку и чувствительность.
Военные — Для слабой видимости, датчиков тайных операций, маркировки, самолетов и оборудования.
Поскольку технология ультрачерного продолжает развиваться, появятся еще более новые способы его использования. Продукты, включающие эти покрытия в конструкции и устройства, будут стимулировать потребительский и промышленный спрос.
Производство этих ультрачерных материалов требует специализированного лабораторного оборудования и методов:
– Вакуумное осаждение – использование испаренного углерода внутри вакуумной камеры для осаждения массивов нанотрубок на подложку.
– Химическое осаждение из паровой фазы – катализ роста углеродных нанотрубок на поверхности, подверженной воздействию углеводородных газов.
– 3D-печать – метод прямой печати чернилами для печати сложных структур углеродных нанотрубок.
– Наслаивание – последовательное осаждение и склеивание нескольких слоев черных материалов вместе.
– Распыление – Формирование ультрачерных частиц в распыляемые краски и покрытия.
– Прокатка – Использование валиков для нанесения покрытий на большие плоские поверхности.
– Функционализация – Добавление обработки поверхности для оптимизации адгезии и устойчивости к окружающей среде.
Высокая степень контроля и настраиваемости, обеспечиваемая этими методами изготовления, позволяет исследователям систематически тестировать и оптимизировать характеристики поглощения света.
Несмотря на их впечатляющие способности поглощения света, некоторые трудности все еще остаются с ультрачерными веществами:
– Хрупкость – Крошечные наноструктуры могут быть хрупкими и склонными к царапинам или поломкам.
– Токсичность – Некоторые методы производства используют летучие органические соединения или другие токсичные ингредиенты.
– Стоимость – Экзотические методы изготовления, используемые в настоящее время, делают эти покрытия очень дорогими.
– Несовершенства – Достижение таких Постоянная темнота на больших площадях поверхности все еще остается сложной задачей.
– Экологическая стабильность – Такие условия, как влажность, УФ-излучение и тепло, могут со временем ухудшать производительность.
– Механическая стабильность – Адгезия к поверхностям и устойчивость к обработке, изгибу или ударам требуют улучшения.
Дальнейшее совершенствование методов производства и материаловедения поможет сделать их практичными для большего количества реальных функций.
Хотя Vantablack по-прежнему правит как самый темный материал, когда-либо охарактеризованный в лаборатории, появляющиеся ультрачерные технологии, такие как леса углеродных нанотрубок Массачусетского технологического института, предполагают, что его рекорд вскоре может быть превзойден. Текущие исследования методов производства, оптимизации поверхности и нанопроизводства откроют новые уровни эффективности поглощения света и расширят практическое применение ультрачерных покрытий. Но на данный момент Vantablack остается королем тьмы, с которым сравниваются все другие ультрачерные материалы.