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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