比黑更黑的材料

一種新型材料可以吸收高達99.9%的可見光，它有望用於隱形技術和太空望遠鏡之中。

一黑到底

黑色材料有著很大的用途。它可以幫助太陽能熱水器從陽光中捕獲更多的能量，吸收太空望遠鏡內部不需要的反射光線，還可以應用在軍事隱身技術之中。

但是，當前得到應用的最好的黑色材料只能吸收大約90%的可見光。為了提高吸收率，材料科學家們走向了「黑暗結構學」：使用納米結構塗層來捕獲幾乎所有打過來的光子。

近幾年來，研究人員使用碳納米管——一種只有一個原子厚的碳制圓筒——已經創造了一些更黑的材料。2014年，一家英國公司推出了一個名為「Vantablack」的材料，可以吸收超過99.9%的可見光。Vantablack材料里的碳納米管就像一片微小的稻田一樣，每一個碳納米管大約有22到44微米高，這些納米管形成的塗層的厚度大約相當於人類頭髮寬度的一半。飛過來的光子會在這些納米管之間不斷地反彈，直到其能量最終變成熱量。

但是，Vantablack材料的吸光能力只是在特定角度上效果最優。另外，這些碳納米管需要加熱到大約400℃才能成型，需要大量熱量，意味著它們不能作為塗層附著在耐熱性差的材料表面。那麼，有沒有辦法使得材料可以在各個角度都能充分吸收光，而且不需要加熱？

超白的甲蟲

像許多材料科學家們所做的那樣，來自沙烏地阿拉伯的阿卜杜拉國王科技大學的研究人員決定從大自然中尋找靈感。不過，它們不是從某種黑色的東西，而是從一種白色的東西找到了靈感。

這種白色的東西是一種生活於東南亞地區的白色甲殼蟲，叫做白金龜，它的外殼上覆蓋著鱗片，就像瓦片覆蓋屋頂那樣，不過其鱗片只有大約5微米厚。這層鱗片因極為白亮而聞名，它比白紙還要白上10多倍，而且也比人類製造出的任何白色都要白。研究人員推測，白金龜的鱗片善於從各個角度散射光。

那麼，白金龜里的鱗片是怎麼做到這一點的呢？

2007年，科學家發現白金龜的鱗片布滿著由堅硬的殼多糖構成的細長線條。其中，殼多糖是昆蟲和甲殼綱動物的外骨骼的主要組成部分。Vantablack材料里的碳納米管是直直地立著，而殼多糖線條卻是與白金龜的外殼是平行的。

這些線條十分密集，就像Vantablack材料里的碳納米管一樣。但是，碳納米管的寬度都是一樣的，而殼多糖線條稍顯混亂，有著不同的寬度。線條這種隨機的特性，一般被研究人員稱之為無序性，給了白金龜難以置信的白。因為這種無序性使得各種波長的光子從任何方向撞到殼多糖線條時，都會向著各個方向等量地散射開來，所以從各個角度都能看到各種波長的光子混合在一起產生的白色光。

長著包的納米棒

阿卜杜拉國王科技大學的研究人員對這個無序結構產生了好奇：它能否幫助我們製造出超級黑的材料呢？

於是，他們設計了一個無序多孔的材料，能像海綿吸水一樣把光子都吸收過來。他們首先用金制出了一些中空的納米棒，每一個大約有80納米長。當它們與某種化合物發生反應後，每個納米棒都可以長出一個直徑為30納米的完美金球。這樣，每一個納米棒都像一個細桿上長了一個包。這些金球則是產生無序性的關鍵。

每一個球表面上都分布著許多孔隙，實際上它們是光子的單向閥門。當一個光子通過孔隙進入內部後，它會在球的內部不斷反射，直到抵達球與桿的銜接處。一旦光子穿過銜接處進入空心桿內後，就會困在其中——光子會在內部不斷反射，直到所有的能量以熱的形式散盡。

孔隙在球的表面是隨機排列的，這種無序性就像白金龜的殼多糖線條一樣，可以從各個角度等量地吸收光線。研究人員發現，這些納米棒可以有效地吸收波長從400到1400納米的光，也就是可以吸收可見光以及紅外線。而Vantablack材料主要吸收可見光，而這種新型納米材料的吸收範圍還延伸到了紅外線，這意味著它可以應用在紅外太空望遠鏡中。

當前的太陽能加熱技術中，通常使用黑硅來當作吸收陽光的材料。黑硅可以吸收92%的可見光。不過，上面這種新型納米材料被許多人士認為是一個「激動人心的突破」。因為它具有更強的吸收能力，而且還能吸收紅外線，如果得到應用的話，將具有廣闊前景。

另外，這些黃金納米棒很容易製作，可稀釋為液體並噴在其他物體表面上，而且不需要加熱到高溫。

那麼，一個絕對的黑色材料——就像一個黑洞那樣能吞噬100%的光子——是否能成為現實呢？研究人員推測，即便存在可能，實現起來也極為困難。雖然我們還沒有發現材料的吸收率存在理論上限，但任何材料的表面總會產生不必要的反射。所以我們目前應努力地開發地球上最黑暗的材料，讓黑洞暫時先洋洋得意一陣子。

（本文源自大科技*科學之謎2016年第2期文章）

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