Ученые разработали «самый черный» материал в мире

В научной статье, опубликованной в журнале ACS «Прикладные материалы и интерфейсы» (ACS Applied Materials & Interfaces), ученые профессор Кэхан Цуй (Kehang Cui) из Шанхайского университета и профессор Брайан Уордл (Brian Wardle) из Массачусетского технологического института сообщили о синтезировании самого черного материала на Земле. Материал побил рекорды по черноте. Новая субстанция поглощает более 99,995% света. Таким образом, количество отражённого им света в семь раз меньше, чем у предыдущего рекордсмена – vantablack, который поглощает более 99,96% падающего на него света. Оба материала имеют похожую структуру, но у новинки показатели «черноты» гораздо выше.

Как пишет новостной портал Массачусетского технологического института MIT News, инженеры приготовили материал, который в 10 раз чернее всего, о чем ранее сообщалось. Материал сделан из вертикально выровненных углеродных нанотрубок, или CNT — микроскопических нитей углерода, как «нечеткий лес из крошечных деревьев», которые команда вырастила на поверхности травленной алюминиевой фольги. Фольга улавливает не менее 99,995% любого поступающего света, что делает ее самым черным материалом за всю историю наблюдений.

Ученые продемонстрировали этот материал в виде «плаща» как часть новой выставки на Нью-Йоркской фондовой бирже под названием «Искупление тщеславия». Произведение, созданное Димутом Штребе, проживающим в Центре искусств, науки и технологий Массачусетского технологического института, в сотрудничестве с Брайаном Уордлом, профессором аэронавтики и космонавтики в Массачусетском технологическом институте, его группой и Центром искусств Массачусетского технологического института имеет натуральный желтый бриллиант весом 16,78 карата от LJ West Diamonds, стоимость которого оценивается в 2 миллиона долларов. Его команда покрыла новым ультрачерным материалом CNT. Эффект захватывает: драгоценный камень, обычно блестяще ограненный, выглядит как плоская черная пустота.

Фотография: Diemut Strebe

Профессор Уордл говорит, что материал CNT, помимо художественного применения, также может  иметь практическое применение, например, в оптических шторах, которые уменьшают нежелательные блики, с целью помочь космическим телескопам обнаружить орбитальные экзопланеты:

«Существуют приложения в оптической и космической науке для очень черных материалов, и, конечно, художники интересовались черным, задолго до Ренессанса», — говорит профессор Уордл. «Наш материал в 10 раз чернее, чем когда-либо было найдено ранее, но я думаю, что это еще не предел. Кто-то возможно найдет материал еще более черного цвета, и в конце концов мы поймем все основные механизмы и сможем должным образом создать идеальный черный цвет».

Как был найден материал?

Ученые Уордл и Цуй не собирались создавать ультрачерный материал. Вместо этого они экспериментировали со способами выращивания углеродных нанотрубок на электропроводящих материалах, таких как алюминий, для повышения их электрических и тепловых свойств. Но, пытаясь вырастить СNT на алюминии, Цуй наткнулся на барьер, в прямом смысле слова: вездесущий слой оксида, который покрывает алюминий, когда он подвергается воздействию воздуха. Этот оксидный слой действует как изолятор, блокируя, а не проводя электричество и тепло. Разыскивая способы удаления слоя оксида алюминия, Кюи нашел раствор в соли или хлориде натрия.

В то время группа профессора Уордла использовала соль и другие кладовые продукты, такие как пищевая сода и моющие средства, для выращивания углеродных нанотрубок. В своих тестах с солью Цуй заметил, что хлорид-ионы разъедают поверхность алюминия и растворяют его оксидный слой.

«Этот процесс травления характерен для многих металлов», — говорит профессор Цуй. «Например, суда страдают от коррозии океанических вод на основе хлора. Теперь мы используем этот процесс в наших интересах».

Профессор Цуй обнаружил, что если он впитает алюминиевую фольгу в соленой воде, он может удалить оксидный слой. Затем он перенес фольгу в бескислородную среду, чтобы предотвратить повторное окисление, и, наконец, поместил протравленный алюминий в печь, где группа провела методы выращивания углеродных нанотрубок с помощью процесса, называемого химическим осаждением из паровой фазы. Удалив оксидный слой, исследователи смогли вырастить углеродные нанотрубки на алюминии при гораздо более низких температурах, чем они могли бы быть — примерно на 100 градусов Цельсия. Они также увидели, что сочетание СNТ на алюминии значительно улучшило тепловые и электрические свойства материала, что было ожидаемо. Но что удивило их больше всего – цвет материала!

«Я помню, как заметил, насколько черным он был до выращивания на нем углеродных нанотрубок, а затем после роста он выглядел еще темнее», — вспоминает профессор Цуй. «Поэтому я подумал, что должен измерить оптическую отражательную способность образца».

«Наша группа обычно не фокусируется на оптических свойствах материалов, но эта работа продолжалась в то же время, что и наше сотрудничество в области искусства и науки с Diemut, поэтому искусство в данном случае оказало влияние на науку», — дополнил профессор Уордл.

Ученые подали заявку на патент на технологию, и планируют сделать новый процесс CNT свободно доступным для любого художника с целью его использования в некоммерческих художественных проектах.

Цуй измерил количество света, отраженного материалом, не только непосредственно над его центром, но и под любым другим возможным углом. Результаты показали, что материал поглощает по меньшей мере 99,995% поступающего света со всех сторон. Другими словами, он отражал в 10 раз меньше света, чем все другие сверхчерные материалы, включая Vantablack. Если бы материал содержал неровности или выступы, или какие-либо элементы, независимо от того, под каким углом он был виден, эти элементы были бы невидимыми и скрытыми в черном поле.

Исследователи не совсем уверены в механизме, способствующем непрозрачности материала, но они подозревают, что это может иметь какое-то отношение к комбинации травленого алюминия, который несколько почернел, с углеродными нанотрубками. Ученые считают, что леса из углеродных нанотрубок могут улавливать и преобразовывать большую часть входящего света в тепло, отражая очень мало его обратно в виде света, тем самым придавая CNТ особенно черный оттенок.

«Известно, что леса различных сортов CNT чрезвычайно черные, но отсутствует механистическое понимание того, почему этот материал является самым черным. Это требует дальнейшего изучения», — отмечает профессор Уордл.

Материал уже вызывает интерес в аэрокосмическом сообществе. Астрофизик и нобелевский лауреат Джон Мазер, который не принимал участия в исследовании, изучает возможность использования материала ученых в качестве основы для звездного оттенка — массивного черного оттенка, который защитит космический телескоп от рассеянного света.

«Оптические инструменты, такие как камеры и телескопы, должны избавляться от нежелательных бликов, чтобы вы могли видеть то, что хотите видеть», — говорит Мазер. «Хотели бы вы видеть Землю, вращающуюся вокруг другой звезды? Нам нужно что-то очень черное. … И этот черный должен быть жестким, чтобы выдержать запуск ракеты. Старые версии более хрупкие в этом смысле».

Источник: MIT News

__________________________
Читайте нас в телеграм 
https://t.me/granitnauky


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше