Человечество испокон веков пытается получить «самый черный черный цвет» — от угля и сажи, которыми пользовались доисторические художники до современных наноматериалов, почти полностью поглощающих свет. Сегодня это уже не только вопрос эстетики или престижа, как в эпоху Ренессанса, когда глубокий черный цвет на одежде был признаком власти и богатства, а реальная технологическая гонка на стыке оптики, материаловедения и нанотехнологий.
Физически черный — это даже не цвет как таковой, а практически полное отсутствие отраженного света. Чем больше падающего света материал поглощает, тем более «абсолютно черным» он выглядит. В начале XX века Макс Планк, пытаясь описать излучение абсолютно черного тела, заложил основы квантовой физики. Сегодня ученые уже не ограничиваются теорией: созданные ими структуры вплотную приближаются к идеальному поглотителю света.
Один из известных примеров — покрытие Vantablack из вертикально выровненных углеродных нанотрубок. Нанотрубки образуют как бы «лес», в который фотоны легко попадают, но почти не могут выбраться: свет многократно рассеивается и поглощается. Автомобиль BMW, покрытый таким материалом, выглядел нереально — исчезали блики и объем, кузов превращался в плоский силуэт. Эксклюзивная лицензия, дающая исключительное право использовать Vantablack в искусстве, которую получил художник Аниш Капур, вызвала жаркие споры в обществе и в итоге стимулировало науку на поиск альтернативных ультра-черных покрытий.
Интересно, что природа давно освоила похожие решения. Кожа некоторых рыб, обитающих в глубинах океана, отражает всего доли процента света, делая своих обладательниц практически невидимыми в темноте. У райских птиц и некоторых бабочек ультра-черные участки оперения и крыльев, наоборот, играют демонстративную роль: рядом с ними яркие переливчатые цвета кажутся еще более сияющими. Исследования показали, что такие перья отражают всего 0,05–0,31 % света — показатели, сравнимые с лучшими искусственными материалами. Секрет — в сложной геометрии микроструктур: наклоненные бородки и бородочки пера многократно «запутывают» лучи, практически идеально поглощая свет.
Современные нанотехнологии активно перенимают эти биомиметические принципы. Не только леса углеродных нанотрубок как у Vantablack, но и другие микрорельефы с глубокими порами и лабиринтами работают как искусственные «ловушки для фотонов». В результате появляются материалы, способные поглощать более 99,9 % видимого света и при этом достаточно прочные для реальных устройств. Появились даже водные композиты на основе нанотрубок, которые можно наносить как устойчивые покрытия, пригодные даже для автомобильной промышленности.
Но зачем все это нужно? Да, абсолютно черный автомобиль выглядит впечатляюще, но какое практическое значение у такого покрытия помимо сугубо эстетических ощущений? На самом деле, сфера применения ультра-черных материалов уже очень большая и продолжает быстро расширяться. В астрономии покрытия, максимально поглощающие фотоны, наносят на внутренние части телескопов, чтобы подавлять рассеянный свет и повышать видимость слабых галактик и экзопланет рядом с яркими звездами. В микроскопах и научных камерах такие покрытия снижают блики и повышают контраст изображений. В спектроскопии и квантовых датчиках они уменьшают фоновый шум, позволяя регистрировать крайне слабые сигналы.
В космической технике и электронике ультра-черные поверхности помогают управлять теплом, поглощая и перераспределяя излучение. В солнечных тепловых установках они повышают эффективность превращения света в тепло. Наконец, покрытия на основе нанотрубок позволяют снижать видимую и инфракрасную заметность самолетов, дронов и спутников, а также уменьшать световое загрязнение ночного неба.
Как и абсолютный ноль температуры, идеальный «абсолютный черный» остается недостижимым пределом. Но чем лучше мы понимаем, как устроен природное ультра-черное оперение у птиц или кожа глубоководных рыб, тем ближе подбираемся к нему — уже не красками, а тонко спроектированной архитектурой поверхности, которая буквально «впитывает» свет.
Ранее ученые нашли способ управлять светом на атомарном уровне.
Источник: hi-tech.mail.ru