Поиск «самого черного цвета» на протяжении столетий увлекал художников и ученых. От разработки все более темных пигментов до разработки поглощающих свет наноматериалов, поиски продолжаются, чтобы создать черный цвет, поглощающий почти весь свет, создавая иллюзию взгляда в пустоту. Но какой самый черный цвет возможен? И какие уникальные свойства позволяют определенным материалам так эффективно улавливать и удерживать свет? В этой статье мы рассмотрим науку, лежащую в основе некоторых из самых черных материалов, созданных на сегодняшний день, и что делает их такими темными.
Чтобы материал казался черным, он должен поглощать большинство видимых световых длин волн, отражая при этом очень мало обратно в глаз. Чем больше света может «удержать» материал, тем темнее он будет казаться. Вот несколько основных причин, по которым некоторые материалы имеют чрезвычайно черный цвет:
| Свойство | Описание |
|---|---|
| Поглощение света | Материалы с высоким поглощением света обладают свойствами, которые захватывают и удерживают частицы света (фотоны), а не отражают их. |
| Наноструктуры | Микроскопические и наномасштабные поверхностные структуры могут «улавливать» свет посредством множественных внутренних отражений. |
| Содержание углерода | Углерод очень эффективно поглощает свет, поэтому распространены черные пигменты на основе углерода. |
Наиболее черные материалы максимизируют поглощение и удержание света, используя различные комбинации этих свойств.
В течение столетий черные краски и красители производились с использованием пигментов на основе углерода, смешанных с жидкостями, такими как масла или чернила. Обычные традиционные черные пигменты включают:
– Ламповая сажа – Сажа, отложившаяся при сжигании масел, жиров или смол.
– Виноградная сажа – Угольный пигмент, полученный путем сжигания палочек или остатков виноградной лозы.
– Слоновая кость – Обугленные кости животных или слоновая кость.
Частицы углерода в этих пигментах эффективно поглощают свет, создавая очень темные черные цвета. Однако традиционная сажа по-прежнему отражает около 3-5% света. Так что есть возможности для улучшения.
За последние несколько десятилетий нанотехнологии позволили разработать микроскопические поверхностные структуры и покрытия, которые намного чернее традиционных пигментов. Два лидера в этой области:
Vantablack — это покрытие из углеродных нанотрубок, разработанное Surrey NanoSystems, содержит крошечные структуры нанотрубок, плотно упакованные вместе. Свет проникает в пространства между трубками, но по сути «захватывается» после многократного отражения между трубками. Vantablack поглощает до 99,965% видимого света, превосходя любые традиционные черные пигменты.
Black 3.0 — покрытие из сплава никеля и фосфора, разработанное Стюартом Семплом, Black 3.0 также использует наномасштабные поверхностные структуры для захвата и поглощения света. Оно поглощает до 99,4% видимого света и удерживает мировой рекорд Гиннесса как «самая черная акриловая краска».
И Vantablack, и Black 3.0 полагаются на микроскопические светоулавливающие архитектуры для поглощения почти всего падающего на них света. Это создает иллюзию плоской, лишенной тени черной пустоты.
Давайте рассмотрим, почему Vantablack и Black 3.0 способны поглощать практически весь видимый свет:
| Свойство | Vantablack | Black 3.0 |
|---|---|---|
| Состав | Углеродные нанотрубки, выращенные на поверхности | Порошок никель-фосфорного сплава |
| Структура поверхности | Плотно упакованные нанотрубки | Микроскопические зубчатые выступы |
| Поглощение света | До 99,965% | До 99,4% |
Сочетание состава и нано/микромасштабных поверхностных структур позволяет обоим материалам чрезвычайно эффективно улавливать свет посредством множественных внутренних отражений и событий поглощения. В результате свет практически не отражается обратно в глаз.
Хотя синтетические нанотехнологические покрытия удерживают рекорд по самому черному черному цвету, некоторые натуральные материалы также поглощают более 99% видимого света, объединяя содержание углерода с микроскопическими структурами:
Крылья бабочек — Крылья некоторых видов, таких как бабочка Papilio ulysses, развили ультрачерную пигментацию для увеличения поглощения тепла. Чешуйки крыльев содержат микроскопические ребра, которые «улавливают» свет посредством множества внутренних отражений.
Перья райской птицы — Эти перья содержат крошечные микроскопические бородки, которые улавливают и поглощают свет. В результате получается невероятно насыщенный, глубокий черный цвет, который помогает привлекать партнеров.
Подражая наноархитектуре, встречающейся в природе, материаловеды продолжают разрабатывать все более черные синтетические покрытия и пигменты.
Что касается природных веществ, вот некоторые из самых черных материалов, встречающихся в природе:
| Вещество | Поглощение света |
|---|---|
| Уголь | До 98% |
| Древесина черного дуба | До 95% |
| Кожа рыбы-дракона | До 99,5% |
Уголь и окрашенная в черный цвет древесина эффективно поглощают свет благодаря высокому содержанию углерода. А кожа рыбы-дракона достигает почти полного поглощения света с помощью черного пигмента, упакованного в микроскопические структуры.
Для чего полезны эти ультрачерные материалы? Некоторые основные области применения включают:
– Камуфляж – Покрытие Vantablack может скрыть военную технику на фоне ночного неба.
– Космическое приборостроение – Черные покрытия улучшают калибровку чувствительных оптических приборов, уменьшая паразитные отражения.
– Радиаторы – Максимальное поглощение света позволяет радиаторам, покрытым Black 3.0, эффективно преобразовывать свет в тепло.
– Искусство и дизайн – Скульптуры и инсталляции с использованием суперчерных цветов создают уникальные визуальные эффекты, играя с восприятием света и пространства зрителями.
Таким образом, хотя эти ультрачерные цвета и поражают своей эстетикой, они также имеют множество практических применений для декорирования, военных целей, науки и техники.
Какое вещество считается самым черным из известных веществ во Вселенной? Этот титул достается материалу в центре черных дыр. Огромная гравитация черной дыры притягивает окружающую материю и свет, сжимая их в бесконечно малую точку с почти бесконечной плотностью и темнотой.
Ни один свет не может покинуть черную дыру, как только она пересечет границу, известную как горизонт событий. Это делает материал внутри абсолютно черным, поглощая 100% любого поглощаемого им света. Тем не менее, истинная «поверхность» сингулярности черной дыры остается неизвестной, что делает ее черноту теоретической. Но исследования показывают, что черные дыры являются самым близким из известных приближений к чистой черноте.
От копоти ламповой сажи до ультрачерных углеродных нанотрубок и никель-фосфорных покрытий поиск «самого черного черного» продолжает раздвигать научные границы. Максимизируя поглощение света, минимизируя отражение наноструктур и углеродный состав, самые черные синтетические и натуральные материалы достигают показателей поглощения света более 99%. Но стремясь к бесконечной темноте черных дыр, поиск идеального полного спектра черного, который не отражает свет, может буквально продолжаться вечно. Однако эта задача также обещает достижения в области наноматериалов, биомиметики и оптической инженерии, которые могут расширить возможности практического применения.