Черный — самый темный цвет в видимом спектре. Хотя на первый взгляд он может показаться простым, черный цвет имеет множество тонких вариаций и оттенков в зависимости от того, как он поглощает и отражает свет. В этой статье мы рассмотрим самые темные черные цвета и пигменты, когда-либо созданные, от Vantablack до musou black. Понимание науки, лежащей в основе этих ультрачерных материалов, дает представление о свете, цвете и материаловедении.
Черные объекты поглощают почти весь видимый свет, который на них попадает, отражая очень мало света для человеческого глаза. Это делает их темными. Чем больше света поглощает черный материал, тем темнее он будет выглядеть.
Истинно черные материалы поглощают почти 100% видимого света на всех длинах волн (красный, зеленый, синий). Это означает, что свет не отражается и не рассеивается обратно в глаз. Однако большинство черных материалов все еще отражают крошечную часть света, поэтому ни один натуральный материал не способен достичь идеальной черноты.
Чтобы количественно оценить черноту, ученые измеряют поглощение света материалом с помощью полного полусферического отражения (THR). Это измеряет процент света, отраженного под всеми углами и длинами волн. Чем ниже THR, тем чернее будет выглядеть материал.
Например, матовая черная краска имеет THR около 5-10%. Velvet имеет THR 1-2%. Суперчерные материалы, обсуждаемые ниже, могут иметь THR 0,005% или ниже.
В 2014 году британская компания Surrey NanoSystems разработала материал под названием Vantablack, который установил новый рекорд как самое темное искусственное вещество. Vantablack имеет THR всего 0,035%, поглощая 99,965% света. Это делает его одним из самых темных веществ, когда-либо созданных.
Vantablack состоит из леса крошечных углеродных нанотрубок, выращенных вертикально на поверхности. Нанотрубки удерживают свет между собой, предотвращая почти все отражение и рассеивание. Это создает иллюзию плоской, бесконечной пустоты.
| Компонент | Описание |
|---|---|
| Вертикальные углеродные нанотрубки | Крошечные углеродные структуры, выращенные вертикально на поверхности и расположенные очень близко друг к другу. |
| Улавливание света | Свет проникает в зазоры между нанотрубками, но не может выйти, непрерывно поглощаясь. |
| Практически нет отражения | Свет почти не отражается, создавая видимость бездонной пустоты. |
Нанотрубки в Vantablack выращиваются при высоких температурах на алюминиевой фольге. Их небольшой размер (ширина 100 нм), близкое расстояние и высокое соотношение сторон чрезвычайно эффективно улавливают свет. В настоящее время Vantablack применяется в аэрокосмической и оборонной промышленности для поглощения рассеянного света. Он слишком дорог для широкого коммерческого использования.
Vantablack — не единственный созданный ультрачерный материал. Вот некоторые другие рекордные черные вещества, произведенные в лабораториях:
– Массивы углеродных нанотрубок. Различные исследовательские группы создали различные вертикально выровненные массивы углеродных нанотрубок, похожие на Vantablack, некоторые из которых достигли отражательной способности 0,01%.
– Суперчерный из сплава никеля и фосфора. В 2019 году исследователи случайно создали покрытие из никеля и фосфора с отражательной способностью 0,06%, пытаясь гальванизировать лазерный поглотитель.
– Ультрачерный акрил. В 2021 году исследователи смешали частицы черного углерода с акрилом, чтобы поглотить 99,5% света. Это создало окрашиваемое покрытие, называемое ультрачерным акрилом.
– Schwazzeug – распыляемое покрытие из углеродных нанотрубок, разработанное в Германии, которое поглощает до 99,8% света.
– Super black 2.0 – инженеры Columbia создали выровненные массивы углеродных нанотрубок, которые поглощают 99,995% света, немного темнее оригинального Vantablack.
В 2022 году японская компания Koti разработала акриловую краску под названием Musou black, которая отражает еще меньше света, чем любой предыдущий материал. Musou black имеет THR всего 0,0014%, поглощая 99,9986% видимого света. Это, вероятно, делает его самым темным искусственным веществом из когда-либо созданных.
Musou black использует комбинацию нескольких черных пигментов, а также акрилового связующего для сильного поглощения и улавливания света. Черные пигменты включают в себя:
– Технический углерод – Пигмент на основе сажи, получаемый путем сжигания органических материалов, таких как смола и древесина
– Оксид железа (магнетит) – Натуральный минеральный пигмент черного цвета
– Ультратонкие частицы – Более мелкие частицы поглощают больше света, рассеивая меньше
Благодаря оптимизации соотношения пигментной смеси и использованию наноразмерных пигментов и полимеров, черный цвет Musou достигает рекордной черноты. В настоящее время он продается в коммерческих целях как акриловая краска.
| Материал | Полное полусферическое отражение |
|---|---|
| Vantablack | 0,035% |
| Superblack 2.0 | 0,005% |
| Musou Black | 0,0014% |
Достижение этого уровня черного цвета требует тщательной инженерии и обладает некоторыми уникальными свойствами:
– Экстремальное поглощение света – По определению эти материалы отражают наименьшее возможное количество света. Vantablack отражает только 0,035% света.
– Потеря детализации поверхности. Ультра-черные покрытия кажутся плоскими пустотами без детализации поверхности, поскольку они поглощают почти весь свет. Это может создавать сюрреалистические эффекты.
– Матовая текстура. Микроскопическая структура материалов, таких как Vantablack, сильно рассеивает крошечное количество отраженного света, придавая ультра-матовый вид.
– Высокая стоимость. Особые технологии производства делают большинство ультра-черных покрытий дорогими.
– Хрупкость. Нанотрубчатая структура Vantablack очень хрупкая и может быть легко повреждена. Новые покрытия направлены на повышение долговечности.
– Токсичность. Некоторые ультра-черные покрытия используют токсичные пигменты, такие как технический углерод. Безопасное обращение во время производства и использования имеет важное значение.
В то время как инженеры-материаловеды стремятся создать ультрачерные вещества в лабораторных условиях, некоторые природные явления довольно близки к идеальной черноте:
– Черные дыры – Искривляющие пространство черные дыры поглощают весь падающий на них свет, ничего не отражая из-за своей огромной гравитации. Они невидимы, но их можно обнаружить по их воздействию на близлежащую материю.
– Висмут – Этот химический элемент поглощает почти весь видимый свет, отражая только 0,3% обратно. Твердый висмут имеет исключительно темный черный цвет.
– Черная гадюка – Кожа этой английской змеи содержит черные пигментные гранулы, сложенные друг на друга для поглощения света. Ее чешуя отражает всего 2–4% света.
– Черная рыба-дракон – Эта рыба, обитающая в глубинах океана, имеет ультрачерную кожу и светится красным. Он поглощает более 99% синего света, который фильтруется сверху.
– Пяденица березовая – Во время промышленной революции эти мотыльки приобрели черную окраску, чтобы маскироваться на фоне темной, покрытой сажей коры деревьев.
| Натуральный черный объект | Отражение света |
|---|---|
| Черная кожа гадюки | 2-4% |
| Черная кожа рыбы-дракона | |
| Висмут | 0,3% |
| Vantablack | 0,035% |
Уникальные светопоглощающие свойства самых черных материалов открывают новые возможности применения:
– **Космическое приборостроение** – Покрытия, такие как Vantablack, уменьшают паразитные отражения внутри телескопов и звездных датчиков.
– **Военная технология скрытности** – Ультрачерные покрытия скрывают объекты, поглощая радар, инфракрасные датчики и видимый свет.
– **Фотография** – Фотографы используют ультрачерные фоны и реквизит, которые исчезают на камере.
– **Архитектура** – Самые черные материалы создают сюрреалистические визуальные эффекты на скульптурах и зданиях.
– **Электроника** – Углеродные нанотрубки и металлические черные цвета поглощают тепло и электромагнитные помехи в схемах.
– **Искусство и дизайн** – Новые черные материалы открывают новые эстетические возможности для инсталляций, одежды, красок и многого другого.
Хотя теперь у нас есть доступ к материалам, которые невероятно близки к истинному черному, идеальная чернота может быть физически невозможна:
– **Теоретические пределы** – Согласно моделям, максимально возможное значение THR может составлять около 0,000015%, что ограничено собственной отражательной способностью при попадании света на атомы.
– **Квантовые эффекты** – Неопределенность и флуктуации в квантовом масштабе могут помешать 100% поглощению света даже в идеальных теоретических материалах.
– **Практические пределы** – Фактически изготовленные материалы всегда будут иметь некоторые микроскопические дефекты, препятствующие идеальной производительности.
Поскольку инженеры раздвигают границы, каждое дополнительное улучшение требует огромных усилий. Большинству приложений не требуются такие экстремальные значения черноты. Но поиски продолжают создавать все более темные оттенки, которые углубляют наше понимание самого света.
Самые темные оттенки черного раскрывают сложные взаимодействия света и материи. Хотя черный может показаться простым, физики и инженеры создают новые черные материалы, используя точную нанотехнологию для управления светом. Рекордная черная краска Musou может представлять собой практический предел, но продолжается стремление к неуловимому идеальному черному, который действительно поглощает весь видимый свет. Само стремление раскрывает тонкие стороны оптики и вдохновляет на еще невиданные применения. Чернее не всегда лучше, но раскрытие секретов сверхтемных оттенков ведет к более глубоким научным и художественным прозрениям.