Как создать самый черный материал в мире?

Человечество много веков гонится за самым черным оттенком. По факту, черный стал одним из первых цветов, который люди смогли вывести инженерным путем, из угля и сажи, еще в доисторические времена. Портал theconversation.com рассказал, как инженеры обращаются к природе и нанотехнологиям, чтобы добиться чернейшего черного материала.

Погоня за самым черным цветом — не только эстетическая мечта. В начале XX века немецкий физик-теоретик Макс Планк хотел раскрыть тайну радиации черных тел — и попутно раскрыл фундаментальные законы, которым подчиняется взаимодействие света и материи.

Планк в свое время рассматривал теоретическое поведение идеального абсорбента, поглощающего свет, но сегодня ученые смогли создать материалы, которые подбираются невероятно близко к его расчетам. Развитие нанотехнологий (инженерии на молекулярном уровне) позволило синтезировать материалы, способные поглощать практически весь спектр видимого света. И чем больше света они поглощают, тем темнее смотрится их черный цвет.

Один коммерческий пример — ультра-черный концепт-кар производства BMW. Он покрыт материалом под названием Vantablack, состоящим из вертикально выстроенных углеродных нанотрубок; структура материала поглощает любые отражения, из-за чего контуры автомобиля словно размываются в двухмерный силуэт.

Разработчики Vantablack выдали эксклюзивную лицензию на использование материала скульптору Анишу Капуру, но это решение вызвало противоречивую реакцию. Многие коллеги Капура возражали, что подобная привилегия не должна быть зарезервирована лишь для одного человека. Однако сам факт эксклюзивности этой лицензии мотивировал различные организации на создание альтернативных ультра-черных материалов — и продолжает мотивировать по сей день.

Идеальное поглощение света — теоретический лимит, к которому рукотворные материалы могут приблизиться, но никогда не достигнут по-настоящему. Хотя стоит помнить, что природа отточила свою способность создавать ультра-черные структуры задолго до того, как инженеры научились выращивать леса углеродных нанотрубок.

Так, в вечной мгле глубокого океана, определенные виды рыб эволюционным путем выработали кожу, способную поглощать почти весь падающий свет. Камуфляжный эффект достигается благодаря деликатным структурам на поверхности кожи, которые очень эффективно поглощают фотоны. Подобный камуфляж делает рыб практически невидимыми для хищников.

При этом эволюция также использовала тьму и для прямо противоположной цели. У райских птиц и некоторых бабочек ультра-черные структуры, напротив, делают их более видимыми. Черные области находятся рядом с переливающимися цветами, что, из-за поглощения света, создает иллюзию настоящей пустоты. Благодаря этому оттенки по соседству начинают выглядеть еще более яркими и насыщенными.

Исследования райских птиц обнаружили, что они отражают лишь 0,005-0,31% света — эти цифры не так уж и далеки от показателей, которых добиваются синтетические материалы, разработанные инженерами в лабораториях. Перья этих птиц содержат специализированные бородки, которые размещены сетками под углом. Подобное строение заставляет свет рассеиваться несколько раз, что и создает бархатный, черный цвет.

Примечательно, что, в случае райской птицы, цвета и тьма появляются благодаря геометрии, морфологии (паттернах на поверхности) и топологии (расположении этих паттернов). Нынешние нанотехнологии следуют примеру этой биомиметической стратегии. Ультра-черные покрытия, построенные на углеродных трубках, повторяют решения глубоководных рыб, бабочек и птиц. Миллиарды микроскопических трубочек играют роль искусственных оптических ловушек, формирующих плотные лабиринты, в которых фотоны цвета попросту теряются. Итог — синтетический материал, который вполне может посоперничать с оптическими характеристиками самых черных поверхностей в дикой природе.

Сегодня подобные материалы используют всякий раз, когда нежелательные отражения могут как-то повредить результату. Например, в астрономии ими покрывают внутреннюю поверхность телескопов; иначе блики от близких звезд маскировали бы отражения далеких галактик и планет. В микроскопах высокого разрешения и научных камерах ультра-черные поверхности помогают минимизировать отражения, способные размыть картинку. А в спектроскопии и квантовом сканировании они подавляют фоновые шумы — иначе ученым было бы тяжело заметить слабые сигналы молекул и фотонов.

Поглощающие свет материалы также улучшают температурный контроль, поэтому они идеально подходят для космических аппаратов, спутников и высокопроизводительной электроники, в которых даже малейшие перемены температуры могут повлиять на работоспособность.