Существует множество различных оттенков черного, которые можно получить как естественными, так и искусственными способами. Самый темный натуральный черный цвет получается из минералов, масел, частиц углерода и материалов, которые по своей природе поглощают большую часть видимого света. Уголь, нефть, галенитовый кристалл, черный мрамор и сажа — вот некоторые примеры природных черных веществ. Искусственные черные материалы, такие как краски, пластики и покрытия, используют комбинацию пигментов и красителей для поглощения света и создания глубоких, насыщенных черных тонов. Такие факторы, как чистота, плотность, гладкость поверхности и условия освещения, определяют, насколько «черным» выглядит материал. Но какие оттенки являются самыми черными в природе и в искусственных веществах?
Некоторые из самых черных природных материалов на Земле включают:
| Материал | Что делает его суперчерным |
|---|---|
| Vantablack | Изготовлен из плотно упакованных вертикальных массивов углеродных нанотрубок, которые поглощают более 99% видимого света. |
| Черная краска 2.0 | Использует углеродные нанотрубки и отражает только 0,04% света. |
| Сверхчерная пернатая райская птица | Микроскопические светоулавливающие бородочные структуры на перьях поглощают более 99% света. |
Самым черным природным веществом из обнаруженных является материал под названием Vantablack. Это вещество состоит из вертикально выровненных массивов углеродных нанотрубок и почти не отражает свет, поглощая 99,965% излучения в видимом спектре. Для сравнения, следующим самым темным природным веществом является птица, называемая сверхчерной пернатой райской птицей, чьи черные перья поглощают более 99% света. Но даже это не приближается к полной черноте Vantablack.
Так что же делает Vantablack самым черным природным веществом? Его сверхчерные свойства обусловлены микроскопической структурой материала. Vantablack состоит из леса углеродных нанотрубок, выращенных на подложке, причем каждая нанотрубка имеет ширину около 14–50 нанометров. Это создает густой лес нанотрубок с чрезвычайно высоким отношением площади поверхности к объему. Когда свет попадает в эту матрицу нанотрубок, он оказывается в ловушке и отскакивает, пока не поглотится и не превратится в тепло. Почти никакой свет не может вырваться, создавая эффект «черной дыры», поглощающей свет.
В то время как природа создала чрезвычайно черные вещества, такие как Vantablack, ученые также разработали синтетические ультрачерные материалы в лабораторных условиях. Вот некоторые из самых темных черных оттенков, достигнутых с помощью разработанных углеродных наноструктур и покрытий:
| Материал | Поглощение света, % |
|---|---|
| Vantablack S-VIS | 99,8% |
| Singularity Black | 99,4% |
| Покрытие из углеродных нанотрубок Mitsubishi Chemical Corporation | 99,4% |
Самый черный лабораторный материал называется Vantablack S-VIS, поглощающий до 99,8% видимого света. Он использует ту же технологию углеродных нанотрубок, что и оригинальный Vantablack. Другие ультрачерные материалы, такие как Singularity Black и покрытие из углеродных нанотрубок Mitsubishi, достигают 99,4% поглощения в видимом диапазоне длин волн. Хотя эти синтетические черные цвета не такие темные, как Vantablack, они имеют более глубокие оттенки, чем любой натуральный материал, кроме самих лесов нанотрубок.
Чтобы количественно оценить, насколько черными являются различные оттенки, ученые используют измерение, называемое индексом поглощения. Он измеряет долю света, поглощенного материалом в видимом диапазоне длин волн от 400 до 750 нм. Чем выше индекс поглощения, тем чернее материал. Вот индексы поглощения для некоторых из самых черных известных материалов:
| Материал | Индекс поглощения |
|---|---|
| Vantablack | 0,99995 |
| Vantablack S-VIS | 0,998 |
| Суперчерное перо | 0,99 |
| Черная акриловая краска | 0,96 |
Как видите, у Vantablack самый высокий индекс поглощения — 0,99995, он почти не отражает свет. Для сравнения, даже сверхчерное птичье перо поглощает только 99% света с индексом 0,99. Повседневная черная краска поглощает гораздо меньше света, с индексом всего 0,96. Таким образом, хотя Vantablack может казаться нам идеально черным, чувствительные измерения показывают, что он отражает меньше всего света из всех известных материалов.
Самые черные оттенки из всех основаны на углеродной нанотехнологии для улавливания и поглощения света. Разработанные в лаборатории покрытия и массивы углеродных нанотрубок создают самые темные черные цвета, используя микроскопические светоулавливающие структуры.
На данный момент самые глубокие искусственные черные цвета включают:
– Vantablack – Изготовлен из вертикально выровненных углеродных нанотрубок, поглощающих 99,965% света.
– Vantablack S-VIS – Распыляемая краска с использованием углеродных нанотрубок для достижения 99,8% поглощения.
– Singularity Black – искусственный материал из хаотично выровненных углеродных нанотрубок, поглощающий 99,4% видимого света.
Микроскопически эти материалы состоят из крошечных углеродных трубок, выращенных на поверхности. Свет не может отражаться или проходить через эту плотную матрицу нанотрубок, создавая самый глубокий черный цвет, который только можно себе представить. Хотя некоторые суперчерные вещества встречаются в природе, углеродные нанотехнологии позволяют нам создавать еще более темные оттенки.
За пределами высокотехнологичных лабораторий природа создала ультрачерные материалы с помощью различных эволюционных адаптаций. Вот некоторые из самых черных природных веществ и организмов, обнаруженных на Земле:
– Vantablack – материал из углеродных нанотрубок в некоторых грибах, поглощающий до 99,965% света.
– Сверхчерная пернатая райская птица – птицы с микроскопическими светоулавливающими структурами на своих перьях, поглощающие более 99% света.
– Черный мрамор – Горная порода, которая кажется очень темной из-за своей чистой кристаллической структуры.
– Нефтяное масло – Поглощает почти все цвета света, отражая глубокие черные и коричневые цвета.
– Уголь – Образовавшийся за миллионы лет из разложившегося органического вещества, уголь чрезвычайно неотражающий и черный.
– Галенит – Минеральная и кристаллическая форма свинцовой руды, которая почти не преломляет свет, кажущаяся угольно-черной.
Хотя это и примечательно, ни один из этих биологических или минеральных черных материалов не отражает меньше света, чем покрытия из углеродных нанотрубок, созданные в лабораторных условиях. Но они демонстрируют, как природа может развивать сверхчерные материалы посредством различных структурных адаптаций.
Для искусственно окрашенных материалов и красок технический углерод является наиболее поглощающим свет пигментом, используемым. Но другие черные пигменты включают:
– Черный цвет слоновой кости – Получается путем сжигания слоновой кости или костей.
– Ламповая сажа – Сажа, собранная при сжигании масел и жиров.
– Черный цвет марса – Состоит из оксида железа.
– Черный цвет винограда – Получается путем обугливания виноградных лоз и стеблей.
– Черный цвет кости – Животный уголь, полученный путем обугливания костей.
Сажа, полученная из сажи или древесного угля, дает самый глубокий цвет. Но кость, слоновая кость, марс и черный цвет винограда обеспечивают альтернативные оттенки от коричнево-черного до сероватого. Чистота пигмента, химия связующего вещества и материал подложки влияют на конечную окрашенную черноту.
Для самых черных искусственных пигментов и красок оптимальными являются материалы на основе углерода. Самые темные оттенки черного, которые можно получить с помощью современных пигментных технологий, включают:
– Углеродная сажа – почти чистый элементарный углерод, поглощающий почти весь видимый свет.
– Газовая сажа – фрагменты нечистого углерода, образующиеся при неполном сгорании газа.
– Ламповая сажа – изготавливается путем сбора сажи от сгорания масла и жира.
– Ацетиленовая сажа – образуется при разложении ацетиленового газа на чистый углерод.
Инженеры по пигментам также разрабатывают ультрачерные краски с использованием углеродных нанотрубок, которые могут достигать более 99% поглощения, имитируя улавливающую свет наноструктуру таких материалов, как Vantablack. Но для большинства применений порошкообразная сажа производит самые глубокие и наиболее поглощающие свет оттенки черного.
В естественном мире многие животные, растения и минералы демонстрируют оттенки черного из-за микроскопических структурных адаптаций или светопоглощающих химических составов:
– Перья ворона и ворона – Содержат гранулы меланина, которые поглощают свет без отражения.
– Кожа черной мамбы – Чешуя содержит черный меланин, который маскирует змею.
– Кокосовый уголь – Твердый древесный уголь поглощает свет и отталкивает воду.
– Черные цветы орхидеи – Адаптация для привлечения опылителей, таких как мухи и жуки.
– Обсидиановое вулканическое стекло – Образуется при быстром охлаждении лавы, создавая неотражающую стекловидную текстуру.
– Драгоценный камень оникс – Состоит из кремнезема в параллельных полосах, создающих темные оттенки.
– Сырая нефть – Сложная смесь углеводородов, которая почти не преломляет видимый свет.
В промышленных целях широко используются несколько синтетических черных веществ благодаря их светопоглощению, устойчивости к атмосферным воздействиям или производственным свойствам:
– Технический углерод – Добавляется в резину, пластик и чернила, чтобы сделать их ультрачерными, одновременно увеличивая прочность продукта.
– Анодированный алюминий – Электрохимически обработанный алюминий образует неотражающую матовую черную поверхность.
– Обсидиан – Встречающееся в природе вулканическое стекло, используемое для черных ювелирных изделий, предметов искусства и инструментов.
– Черные нити для 3D-принтеров – Нити, такие как нейлон или пластик PLA, пропитанные углеродным порошком для черных печатных деталей.
– Черный анодированный титан – Аэрокосмический и медицинский титан, обработанный с помощью процесса электрохимического чернения.
– Химически зачерненная сталь — сталь реагирует с окисляющими солями, образуя неотражающие черные слои оксида железа.
Искусственные ультрачерные покрытия с использованием углеродных нанотрубок также имеют потенциальное промышленное применение для устранения бликов и отражений.
Вот некоторые из самых черных природных материалов и организмов, встречающихся в природе:
– Перья ворона — содержат специальные микроструктуры, которые улавливают свет между бородками.
– Кожа черной мамбы — чешуя содержит плотный черный меланин, который поглощает более 99% света.
– Грибы Vantablack — углеродные нанотрубки в их структуре поглощают до 99,965% света.
– Приозерный торф — частично разложившееся органическое вещество, которое при намокании кажется интенсивно черным.
– Обсидиановая вулканическая порода – Образована из остывающей лавы со стекловидной текстурой, поглощающей свет.
– Драгоценный камень оникс – Полосчатый черный и белый кремнезем, который преломляет очень мало света.
– Сырая нефть – Сложные углеводороды, которые почти не пропускают видимый свет.
– Уголь – Образован за миллионы лет из захороненного растительного материала, поглощающего почти весь свет.
Хотя это и впечатляет, ни один из этих биологических или минеральных черных оттенков не превосходит разработанные в лаборатории покрытия из углеродных нанотрубок, которые остаются самыми темными оттенками из достижимых.
Самые черные известные оттенки основаны на углеродной нанотехнологии и микроскопических структурах, которые улавливают весь видимый свет. Такие покрытия, как Vantablack, используют густые леса углеродных нанотрубок для поглощения до 99,965% света, в то время как структуры на перьях суперчерной райской птицы поглощают более 99%. Для искусственных цветов самые чистые виды углеродной сажи, сажи и древесного угля дают самые глубокие, самые насыщенные черные тона благодаря своим неотражающим светопоглощающим свойствам. Но ни один синтетический пигмент пока не сравнится с чернотой вертикально выровненных массивов углеродных нанотрубок. Эта передовая нанотехнология позволяет нам создавать некоторые из самых темных материалов, когда-либо созданных.