Самое чёрное вещество в мире – Vantablack
В июле 2014 года на авиасалоне в Фарнборо британская компания Surrey NanoSystems совместно с Национальной физической лабораторией Великобритании (NPL) представила самый чёрный искусственный материал в мире – Vantablack. Покрытие поглощает 99,965% падающего света и визуально полностью стирает объём любого рельефного предмета, превращая его в плоский чёрный провал.
Покрытие Vantablack на мятой алюминиевой фольге: складки и рельеф внутри контура полностью исчезают
Само название Vantablack (Вантаблэк) сложено из аббревиатуры VANTA (Vertically Aligned NanoTube Arrays – вертикально ориентированные массивы нанотрубок) и слова black (чёрный).
Как устроен Vantablack и почему он не отражает свет
В отличие от обычной краски или сажи, Vantablack – это не пигмент, а выращенный в реакторе микроскопический «лес» из вертикально стоящих углеродных нанотрубок:
- Рекордное поглощение 99,965%: по измерениям Национальной физической лаборатории Великобритании на длине волны 750 нм материал отражает всего 0,035% света, поглощая видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение (для сравнения: самый чёрный каменный уголь и матовые краски поглощают около 95–96% света).
- Толщина в 10 000 раз меньше волоса: диаметр каждой углеродной нанотрубки составляет около 20 нанометров при высоте от 14 до 50 микрон – это в 3 500–10 000 раз тоньше человеческого волоса, а на одном квадратном сантиметре поверхности умещается около миллиарда таких трубочек.
- Ловушка для фотонов: массив нанотрубок на 99,9% состоит из пустого пространства, поэтому свет не отражается от внешней границы, а свободно проваливается внутрь «леса». Попадая между трубками, фотоны многократно переотражаются от стенок, словно в лабиринте, пока почти без остатка не поглощаются и не превращаются в тепло.
- Низкотемпературный рост на алюминии: раньше для выращивания углеродных нанотрубок методом химического осаждения из пара (CVD) требовалась температура выше 700 °C, при которой алюминий просто плавился. Инженеры Surrey NanoSystems снизили температуру процесса примерно до 400 °C, что позволило выращивать покрытие прямо на тонкой алюминиевой фольге и лёгких деталях спутников.
Когда человек смотрит на предмет, покрытый Vantablack, мозгу сложно интерпретировать картинку. На смятом листе фольги полностью пропадают грани, складки и тени – глаз не видит ни текстуры, ни формы, а воспринимает окрашенный участок как абсолютно пустую чёрную дыру.
Свойства и где применяется материал
Помимо оптических характеристик, покрытие унаследовало и физические свойства углеродных нанотрубок: оно проводит тепло в 7,5 раза эффективнее меди, а прочность самих трубок на разрыв в 10 раз выше, чем у стали. При этом покрытие практически не выделяет газов в глубоком вакууме, не осыпается при вибрациях во время ракетных пусков и выдерживает резкий тепловой удар вплоть до погружения в жидкий азот (−196 °C).
Благодаря этому Vantablack разрабатывали прежде всего для космоса, точной оптики и оборонной сферы:
- Космические телескопы и звёздные датчики: покрытие внутренних перегородок и бленд убирает паразитную засветку от Солнца и Луны, позволяя камерам различать самые тусклые далёкие галактики и слабые звёзды.
- Калибровка инфракрасных камер: из-за почти стопроцентного поглощения тепла материал служит эталоном «абсолютно чёрного тела» для настройки тепловизоров и орбитальных радиометров.
- Микроэлектроника и теплоотвод: покрытие применяют в миниатюрных узлах микроэлектромеханических устройств (MEMS), солнечных коллекторах и системах тепловой защиты; военные заказы компания Surrey NanoSystems по условиям контрактов не комментирует, а точную стоимость материала разработчики описывают коротко – «очень дорогой» :-)
Технический директор Surrey NanoSystems Бен Дженсен в интервью шутил, что если бы из Vantablack сшили платье и надели на человека, то окружающие видели бы лишь его голову, кисти рук и ноги, парящие вокруг плоского силуэта без единой складки – словно в центре тела открылась космическая чёрная дыра. Правда, в реальности потрогать такую ткань рукой не выйдет: от любого прикосновения хрупкие микротрубочки сминаются, и поверхность начинает блестеть. Но согласитесь, заполучить кусочек такой фольги ради эксперимента на рабочем столе хотели бы многие :-)
