科学|超级黑PK超级白:纳米材料如何欺骗你的眼睛

在《你是我的眼》中 , 盲人歌手萧煌奇深情地唱出“你眼前的黑不是黑 , 你说的白是什么白” , 生动地描绘了视觉残障人士对光明世界的渴望 。 然而 , 对于能够看到身边周遭万物的普通人来说 , 一些色彩依旧会骗过人类的视觉 , 甚至光线 。 更神奇的是 , 这些色彩还有其他神奇的功效 , 能够对人类的生活起到意想不到的作用 , 而造就这种奇迹的 , 是日新月异的纳米技术 。
黑得如同现实缺了一块
下面这张图 , 在面具旁边有一块黑色的“漏洞” 。 然而 , 这并不是拙劣的抠图 , 那块“黑洞”其实是在同样的面具上 , 覆盖了一种黑色涂料 。

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黑色涂料覆盖了面具 , 如同抠图| www.Surreynanosystems.com
这种涂料叫做“Vantablack” , 它能吸收99.96%的光线 。 当被Vantablack覆盖住后 , 面具上几乎没有光线被反射过来 。 如果你正面直视它 , 就会失去空间的纵深感 , 如同凝视深渊 。

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两个面具的侧面 | www.Surreynanosystems.com
“Vanta”是“垂直排列碳纳米管阵列”(Vertically-aligned nanotube array)的缩写  。 这个名字也明示了它的本质:这种涂层其实是紧密排列成束状的碳纳米管 。
1991年 , 日本学者饭岛澄男发现了“碳纳米管” 。 这种高导电、高强度的线状材料 , 立刻引起了学界和企业界的兴趣 。
但是 , 碳纳米管在实际使用时却面临很多问题 , 其中最不好解决的就是它们总是相互缠绕在一起 , 就好像耳机线一样 。 这种纠缠在一起的碳纳米管 , 会极大减少能被有效利用的面积 , 同时其本身的导电性等指标也会受到影响 。
于是 , 学者们就想出了一种解决方案:让这些碳纳米管垂直生长起来 , 也就是形成碳纳米管阵列 , 如同在平地上种树一样 。 而这种“碳纳米管小森林” , 有序度高、缠绕少 , 能够充分发挥碳纳米管的优异性能 , 在电子元器件中有很大的应用潜力 。

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一种长在硅片上的碳纳米管阵列 , 如同小树林一样地笔直生长[2]
再回到Vantablack的颜色上 。 它能达到如此的吸光能力 , 也是因为碳纳米管阵列的特殊结构 。
当光线入射到碳纳米管阵列后 , 光会在纳米管组成的森林中不断偏折 , 不断反弹 , 并最终被吸收 , 也就几乎不会反射出去 。
简单来说 , 之所以Vantablack如此之黑 , 是因为光在碳纳米管中“迷了路” 。
自2014年面世后 , Vantablack一度作为“最黑的人造物” , 入选了吉尼斯世界纪录 。 然而 , 这个纪录在随后不断被打破 。
目前公开报道中 , “最黑的材料”来自美国麻省理工学院(MIT) 。 2019年 , MIT的研究团队研发了一种吸光能力高达99.995%的材料[3] 。
研究者的这次突破也实属偶然 。 这项研究原本目标是提高导电材料性能 , 但当他们不断在涂层中塞入垂直碳纳米管后 , 却阴差阳错得到了这么一种“比黑更黑”的物质 。
不过 , 目前这种材料还没有具体的名字 , 工艺也没那么成熟 。 所以 , 在“黑”的领域 , Vantablack还是最为人称道 。
理论上 , 这些“黑材料”的用处很多 , 最容易想到的 , 就是可以给光学仪器或者天文望远镜来做遮光罩 。 不过 , 即使是工艺成熟的Vantablack , 它的制备要求也十分苛刻 。 同时 , 作为涂层的话 , 碳纳米管阵列也很容易脱落或者褪色 , 需要精心保护 。
虽然暂时在商业上没法大范围推广 , 但架不住很多先锋者们前来尝鲜 。 比如 , 宝马公司涂装了他们的一辆车;也有瑞士手表厂商 , 用这个材料做了全黑的表盘 。
按网友的评价:这些物件涂上了Vantablack后 , 就好像游戏中“未解锁”的道具 。

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Vantablack涂装的一辆宝马车 | Surreynanosystems.com
显然 , 艺术家们也不会放过这种极致的颜色 。 2016年 , 英国艺术家安尼什·卡普尔(Anish Kapoor)买下了用Vantablack进行艺术创作的独家权利 。 这事当时还引起了巨大争议 , 大家议论的焦点是:艺术家能垄断一种颜色吗?
但准确来讲 , 卡普尔并没有垄断这种黑色 。 因为Vantablack只是一种材料 , 卡普尔只是得到了这种材料的独家使用权 , 就如同一家公司占有一个专利一样 。 只不过 , 恰巧只有这种材料能实现这种极致的黑色 。
【科学|超级黑PK超级白:纳米材料如何欺骗你的眼睛】有消息称 , 卡普尔的第一件Vantablack作品 , 将在2021年问世 , 这值得期待 。
能降温的极致白
既然有了极致的黑 。 那大家肯定忍不住要问 , 有没有办法能产生某种极致的白呢?
有 。 而且 , 自然界中早就有了这样的设计 。
在撒哈拉沙漠中 , 就有一种银白色的蚂蚁 , 叫做“撒哈拉银蚁”(Cataglyphis bombycina) 。
越是极端的环境 , 越容易出现极端的生物 。 这种蚂蚁可以忍受当地高达70°C的温度 , 并能在沙漠中来去自如 。 有人形容“它们就像是流动的水银” 。
为了加强散热 , 这些蚂蚁就演化出了银白色的外表 。
通过高倍显微镜观察会发现 , 这种银白色来源于覆盖在蚂蚁表皮的很多纤细的“毛” 。 这些“细毛”的横截面是一种三角形的结构 , 可以有效地反射来自不同入射角度的光 。 反射掉光线 , 也就意味着能给蚂蚁降低不少的温度 。 研究者发现 , 这层“银白色”能让蚂蚁的体温降低5~10℃ , 堪称“随身空调” 。

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A:撒哈拉银蚁照片 , B-E:撒哈拉银蚁表面覆盖的“毛”及其微观结构[4]
当然 , 蚂蚁的这种白还不算极致 。 2020年 , 美国普渡大学的研究团队报道了一种超白的涂料 , 可以反射95.5%以上的光 。 与之相比 , 目前商用白色涂料反光的能力只有80%到90% 。
这种超白涂料的做法并不难 , 就是用亚克力和碳酸钙混合 。 不过 , 实验中用到的碳酸钙很有讲究 , 它们的颗粒尺寸范围很广 , 从几百纳米到几微米都有 , 这个颗粒分布是经过计算优化的 , 是为了尽可能散射太阳光谱中所有波长的光 。

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A:超白涂层(左)与商用涂层的对比 , B:碳酸钙微粒的微观结构[5]
同撒哈拉银蚁一样 , 研究者开发这种涂料也是想用来降温的 。 只不过 , 他们的计划是在房屋的外表涂这种超白涂层 。

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左图为用新型涂料在普通白色涂料上写下了一个“P” , 右图是红外温度分布 , 显示出“P”的温度要更低 , 因为新型涂料能反射更多的热量[5]
经过测算 , 在阳光照射下 , 这种超白涂层最多能比周围温度低10℃ 。 如果给建筑表面涂上的话 , 在夏天即使没有空调 , 室内也可以很凉快。
不过 , 在建筑外面的人会不会遭殃呢?
结构中的五彩斑斓
这世界不能只有纯黑和纯白 , 通过对微观结构的精准把控 , 能带来更多色彩 。
在我们的印象里 , 巧克力往往是棕色或者黑色的 。 但在2019年 , 苏黎世联邦理工学院的学者们却做出了一块“彩虹巧克力” 。

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彩色巧克力 。 也许 , 这就是所谓的“五彩斑斓的黑” | www.Ethz.ch
根据报道 , 这个创意的起源 , 来自于一次闲聊 。 当时 , 有三个教授在大学的走廊里喝咖啡闲聊 , 他们中有一位食品科学家、一位材料科学家和一位研究光学的物理学家 。
聊着聊着 , 话题就转到了巧克力 , 这几位最后抛出了一个问题:能不能做出彩色的巧克力呢?
当科学家们有了奇怪念头的时候 , 没人的行动力能超过他们 。
这几位说干就干 , 开始尝试各种方法来给巧克力上色 , 不过最终效果都不太好 。 经过不断试错 , 他们最终决定 , 放弃色素或染料 , 而是在巧克力表面上压印特殊结构 , 来产生“结构色” 。
所谓的“结构色” , 是指不使用化学颜料 , 而是利用光在微观结构上的散射、干涉或衍射等作用 , 来产生颜色 。
这个概念听起来有些抽象 , 但结构色在日常生活中随处可见 。 比如 , 蝴蝶翅膀艳丽的色彩 , 就是因为在翅膀表面覆盖着纳米级的鳞片 。 再比如 , 吹起的肥皂泡上五彩斑斓 , 也是因为光在它的泡泡薄膜结构上发生了干涉现象 。

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蝴蝶翅膀颜色来自于其表面的纳米结构 , 下图为电子显微镜中所观察到的蝴蝶翅膀纳米结构[6]
借鉴了“结构色”的原理 , 研究者们开发了一种模具 , 能在巧克力表面印上特殊的“纳米花纹” , 从而就做出了这种彩虹的效果 。
不过 , 这些“花纹”具体长什么样子 , 还没有被揭秘 。 因为 , 研究者们打算成立一家公司 , 把这项工艺推广到更多食物上 。
那么 , 问题来了 , 你愿意尝尝盖着一层彩虹的面包、糖果和饼干吗?
参考文献
[1] "Safety Data Sheet Vantablack S-VIS and S-IR" . Surrey NanoSystems. 27 February 2018. Retrieved 16 September 2019.
[2] Lee, J. , Kessler, S. S. ,Wardle, B. L. . (2020). Void‐free layered polymeric architectures via capillary‐action of nanoporous films. Advanced Materials Interfaces, 7(4), 1901427.
[3] Cui, K. ,Wardle, B. L. . (2019). Breakdown of native oxide enables multifunctional, free-form carbon nanotube–metal hierarchical architectures. ACS Applied MaterialsInterfaces, 11(38), 35212–35220
[4] Shi, N. N. , Tsai, C. C. , Camino, F. , Bernard, G. D. , Yu, N. ,Wehner, R. . (2015). Keeping cool: enhanced optical reflection and radiative heat dissipation in saharan silver ants. ence, 349(6245), 298-301.
[5] Xiangyu Li, Joseph Peoples, Zhifeng Huang, Zixuan Zhao, Jun Qiu, Xiulin Ruan, Full Daytime Sub-ambient Radiative Cooling in Commercial-like Paints with High Figure of Merit, Cell Reports Physical Science, Volume 1, Issue 10, 2020,100221.
[6] Potyrailo, R. A. , Bonam, R. K. , Hartley, J. G. , Starkey, T. A. , Vukusic, P. ,Vasudev, M. , et al. (2015). Towards outperforming conventional sensor arrays with fabricated individual photonic vapour sensors inspired by morpho butterflies. Nature Communications.
作者:圆的方块
编辑:朱步冲
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来源:果壳


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编辑:槿知

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