Природа подсказала учёным как создать самые чёрные материалы.

Создание материалов, способных поглощать максимальное количество падающего на них света, сегодня является одним из самых популярных направлений в материаловедении. Помимо невидимости, что уже создаёт огромное поле заказчиков, такие материалы способны максимально повысить КПД солнечных батарей, так как большая часть поглощённого света будет преобразовываться в электроэнергию. В целом, у всех подобных веществ есть довольно много потенциальных применений, например, предотвращение рассеивания света в телескопах, улучшение инфракрасных камер, работающих на Земле и в космосе. Также, они могут применяться в системах тепловой защиты и в качестве покрытия миниатюрных узлов и элементов различных микроэлектромеханических устройств. Рассматривается возможность создания лёгких и прочных покрытий, защищающих человека и космические корабли от радиации открытого космоса.

Самым известным на сегодняшний день подобным материалом является Vantablack (vertically aligned nanotube arrays — вертикально ориентированные массивы нанотрубок, и black — чёрный; /вантаблэк/).

Из названия понятно, что материал представляет собой субстанция из углеродных нанотрубок, которые «растут» на алюминиевой фольге. Этот материал называют самым чёрным из всех ныне существующих. Как заявляют разработчики, он поглощает 99,965 % падающего на него излучения: видимого света, микро- и радиоволн. ; Фотоны, попадая на Vantablack, практически не отражаются обратно, преобразуясь в тепло. Впервые этот материал был представлен учёными Национальной физической лаборатории Великобритании и Surrey NanoSystems на авиасалоне Фарнборо в июле 2014 года.

Очень интересна реакция человеческого глаза на Vantablack: благодаря почти полному отсутствию отражённого света, человек воспринимает это не как некий очень чёрный предмет, а как провал в бездну, как двумерную черноту. В этой связи свой интерес к Vantablack высказал известный скульптор Аниш Капур, который заявил, что это вещество будет очень эффектно в роли краски, например, для изображения бездонного космоса.

Информация о данном материале ограничивается его потенциальным применением и описанием визуальной составляющей, так как на сегодняшний день учёным, создавшим Vantablack, запрещено разговаривать с журналистами на любые темы применения их материала. Да и цену на него они также отказались озвучить, ограничившись фразой «он очень дорогой».

Что подсказывает природа?

Существует несколько способов достичь полной или частичной невидимости тела, и животные активно пользуются ими для маскировки в естественной среде обитания.

Так, группа исследователей из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (King Abdulla University of Science and Technology), Саудовская Аравия, создала один из подобных материалов, идею которого они подсмотрели у живой природы, в частности, из особенностей строения покрытия жука вида cyphochilus, который, как это ни парадоксально, имеет покрытие чисто белого цвета.

Cyphochilus

Большинство исследователей отмечают, что создание материала, поглощающего весь падающий на него свет, принципиально невозможно. Однако, некоторые искусственные материалы могут иметь коэффициент поглощения, стремящийся к 100%.

Изучив особенности строения поверхности покрытия жука cyphochilus, учёные разработали отличную от Vantablack структуру поверхности светопоглощающего материала. Как оказалось после ряда тестов, поверхность жука имеет особую фотонную структуру, которая позволяет эффективно отражать свет практически во всем видимом диапазоне. Учёные, взяв эту идею за основу, обратив её, создали условия для максимально эффективного поглощения света во всём диапазоне.

Поверхность cyphochilus покрыта множеством наночастиц, диаметром около 30 нанометров, которые крепятся к ней при помощи «ножки», в качестве которой выступает наночастица ещё меньшего размера, как показано на рисунке выше. Эти частицы расположены на поверхности совершенно хаотичным образом и они формируют множество своего рода «потенциальных ям», ближайшим физическим аналогом которых является волновод или световод бесконечной длины. Энергия фотона, попавшего в такую яму, поглощается полностью, а большое количество этих ям определяет высокий коэффициент поглощения поверхности в целом.

Покрытая такими наночастицами, способна поглощать до 98–99% света в диапазоне от 400 до 1400 нанометров независимо от угла падения, поляризации и остальных параметров. Следует понимать, что все применяемые на сегодняшний день сверхчёрные материалы (кроме Vantablack, конечно) работают в гораздо более узком диапазоне, поглощая до 26% меньше света.

У этого материала есть ряд отличительных особенностей. Так, например, он будет достаточно прост в изготовлении в довольно больших объёмах, несмотря на сложную структуру поверхности, так как уровень развития технологий нанопроизводства на сегодняшний день развивается фактически семимильными шагами. Этот материал, по заверению учёных, разработавших его, будет одинаково хорошо работать и в воздухе, и в жидкости, независимо от степени преломления света в ней. А его применение в оптических устройствах и солнечных концентраторах не только позволит увеличить их эффективность, но сможет стать началом для создания совершенно новых принципов конструирования таких устройств.

Из последних новостей о подобных разработках следует отметить материал, который был создан исследователями Университета штата Пенсильвания на основе изучения особенностей насекомых рода Cicadella. Результаты работы опубликованы в Nature буквально 10 дней назад, 3-го ноября.

Cicadella

Ученые обратили внимание на то, что выделения жидкости у цикадок способны изменять длины световых волн, что помогает им становиться незаметными для хищников. Микрочастицы, поглощающие свет, получили название Brochosomes. Для того, чтобы имитировать свойства этих частиц, учёные проделали в ткани наноотверстия для поглощения света, поступающего с любой стороны, в широком диапазоне частот.

Изображение из статьи, ссылка на которую дана выше

Как отмечают сами учёные, синтетические материалы помогли биологам наконец понять то, как цикадкам удается так хорошо маскироваться в дикой природе, а инженерам -- ещё один способ создания материалов, поглощающих максимальное количество света.

С помощью сложного пятиступенчатого электрохимического процесса, исследователям удалось создать их имитацию. Подробно процесс описан в статье. Искусственный материал в результате способен поглощать 99% направленного света — от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному, включая и видимый диапазон.

Изображение из статьи, ссылка на которую дана выше

Для проверки своего материала учёные разместили синтетические brochosomes возле различных листьев видов (хризантемы и фуксии), и сравнили их цвета с помощью условного «взгляда божьей коровки» (хищник из семейства cicadellidae). Спектр активного зрения божьей коровки составляет от 311 до 605 нм. На основе изображений, созданных с помощью «взгляда божьей коровки», внешний вид brochosomes и зелёные листья имеют очень высокий уровень сходства и качественно, и количественно.

Изображение из статьи, ссылка на которую дана выше

На рисунке a показаны имитация зрения человека и божьей коровки при взгляде на два различных листа. На рисунке b представлено сравнение структурных параметров способности оптического отражения природных и синтетических brochosomes. Цветная полоска показывает экспериментальные измерения отражения различных синтетических brochosomes, а фиолетовые линии — естественные brochosomes.

Так или иначе, данное направление активно развивается, так как на подобные технологии есть серьёзный заказ со стороны как гражданских, так и военных структур. Помимо этого, создание таких материалов являет собой отличный пример междисциплинарных исследований, что очень радует, например, меня, как фактически адепта подобного рода взаимодействия различных направлений научных исследований.

---

https://zen.yandex.ru/media/scikit/priroda-podskazala-uchenym-kak-sozdat-samye-chernye-materialy-5a09c48ca815f141cfd67a52