最 黑 的 黑 有 多 黑

释放双眼,带上耳机,听听看~!
白天不懂夜的黑。

涂上 Vantablack 的铝箔,注意被涂黑的铝箔的褶皱程度和没有被涂黑的相同。

图片来源:Surrey NanoSystems

世界上最黑的黑有多黑?你可能听说过一种名为 Vantablack 的涂料,号称是世界上最黑的黑。涂上这种颜料的物体,黑到只剩下轮廓。不过近年来,已经有人打破了他们的纪录,造出了比最黑还更黑的颜色。

当一切光线都归零时,我们便得到了黑色。理论上的纯黑色会吸收 100% 的入射光,将光全部转换成热。就像最白的白色能通过反射光来给房间降温那样,完美的黑色涂料也有不少用途。最著名的可能就是哈勃空间望远镜了,NASA 为了避免杂光射到镜片上干扰观测,就给镜筒涂上了他们能找到的最黑的涂料。

梵塔黑

既然黑色涂料有用,科学家就没有理由不去寻找更黑的涂料。其中最有名的可能就是 Vantablack(音译为梵塔黑)。

2014 年,Ben Jensen 公开了他发明的超黑色涂料,在 663 纳米的波长上,这种材料能吸收 99.965% 的光。Ben Jensen 随后将这一材料商业化,并将它命名为 Vantablack,其名称来源于其特殊的结构“垂直排列碳纳米管阵列”( Vertically Aligned NanoTube Arrays,Vanta)。

传统的黑色材料最多只能吸收 90% 的光线,而这种结构能让入射光在微观结构间来回反射,最终被完全吸收 —— 就像一整块金属可以反射光(想想古代的青铜镜),而金属在磨成粉之后却是黑色的。极端的黑色,本质上都是用材料的微观结构实现的。

为了实现 Vantablack 的微观结构,Ben Jensen 用化学气相沉积法(CVD)制造这种材料。不清楚是否是因为这个原因,商业化后,这种涂料的价格仍然十分昂贵 —— 贵到根本没有卖给私人的计划。

当涂料黑到能吸收 99.965% 的入射光时,它就能带来很多意想不到的视觉效果。当人们把 Vantablack 涂到雕塑上,雕塑上的任何结构结构、起伏都将消失,只留下了一个轮廓。英国雕塑家 Anish Kapoor 甚至因此直接买断了 Vantablack 的艺术使用权

但王权没有永恒,Vantablack 也不会永远霸占“最黑”的宝座。2019 年,麻省理工学院的科学家就宣称,他们制造了比 Vantablack 还黑 10 倍的材料 —— 意味着这种材料能吸收 99.995% 的入射光。

新材料团队利用新的最黑涂料制造的艺术品《虚荣的救赎》,右侧是宝石涂上最新黑色材料的视觉效果。图片来源:Diemut Strebe

困住光线

对于最白的白,接近 100% 的反射率就是它最首要的特征。而 Vantablack 之类的碳纳米管涂料只是在颜色上实现最黑,在吸收这些光线之后,它只是把光能转换成了热能。今天有很多设备需要吸收尽可能多的光才能达成最佳效果,比如相机的光线传感器和太阳能电池板等。为了让设备实现最高的工作效率,它们往往被设计的很薄,但材料本身的光吸收率又算不上很高。如果我们能让原本没那么黑的太阳能板、光线传感器变得更黑,吸收更多光,就能提升这些设备的工作效率。

显然,给太阳能板表面刷上一层黑色涂料不仅不能达成这种目的,反而会因为黑色涂料挡住了光,太阳能板完全无法发电(换成光线传感器则是没有信号)。十几年前,美国耶鲁大学的一群科学家就在纠结这个问题,他们在想如何才能让原本光吸收率不高的材料吸收更多的光。而在这个过程中,激光的产生过程给了他们灵感。

激光器中最主要的三个结构是泵浦源增益介质谐振腔。泵浦源会将增益介质中的电子激发到高能态,增益介质中的电子达到高能态后会自发辐射出光子。而这些光子一旦撞上其他高能态电子,就会诱导它向低能态跃迁,并释放出一个频率、相位、方向完全相同的光子,这被称为受激辐射,而它又能激发出更多完全一样的光子。而谐振腔则是两面互相平行的镜子,一面全反射,一面半反射半透射。这些光子在谐振腔的两面镜子间来回反射,每经过增益介质一次,激光就增强一分,最终从半反射半透射镜子那头射出的就会是亮度极高的光子束。

氦-氖激光器,中间闪光的部分就是增益介质,激光在其中不断反射得到增益,最终射到了纸上。图片来源:David Monniaux

如果把这个过程反过来,把增益介质换成吸收介质,再把光路反过来,让光束射到激光器里,不就能让光在不断反射之间被完全吸收吗?2010 年,耶鲁大学的科学家真的实现了这种结构,并将其称为完美的光吸收器。相关论文发表在《物理评论快报》上。

但是,这种结构并不完美。因为光线是通过一面半反射半透射的镜子射入谐振腔的,在光线刚开始射入谐振腔时,就有一部分光被反射掉了。之后,谐振腔里的光每接触到这面镜子一次,就会有一部分光线漏出来。

原本的光吸收器是不完美的,每次反射都会有一些光漏出来。图片来源:Science 377, 995–998 (2022)

上个月,奥地利维也纳工业大学和以色列耶路撒冷希伯来大学的科学家修复了这个漏洞,并将相关论文发表到了《科学》杂志上。他们设计的结构和原先的光吸收器基本相同,只是在其中加入了一组透镜结构。这组透镜结构能让入射光线沿着特定的路径返回,在抵达光线射入的那面镜子上时,它会和刚开始的反射光线重合,并产生相消干涉,抵消所有反射光。

新的光吸收器能通过干涉抵消反射光,从而吸收更多光线。图片来源:Science377, 995–9(2022)

这样,就没有光线能射出去了,所有光线都会在来回反射中被吸收介质所吸收。研究人员表示,就算吸收介质原本只能吸收 15% 的入射光,这种结构最终也能让它吸收至少 94% 的光,在某些方向上,甚至能吸收 98% 的光。

虽然和黑色涂料 99.995% 的吸收率还是没法相提并论,但这种光吸收结构的使用价值则要高很多。光传感器、光学计算都需要提升特定结构的光吸收率,尽可能把微弱的光信号转换电信号等信息。

在这场比谁更黑的竞赛中,天文学家是不败的赢家。不管两种技术路线的目的是什么,他们都可以享受技术进步带来的好处,他们可以用黑色涂料消除不必要的散射光,避免杂光干扰;也能用光吸收结构让光传感器吸收尽可能多的光,实现更好的观测效果。

毕竟,这个地球上可能没人比天文学家更渴求黑夜了。

参考链接:

  • https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8103

  • https://physics.aps.org/articles/v3/61

  • https://physics.aps.org/articles/v15/131

  • https://news.mit.edu/2019/blackest-black-material-cnt-0913

  • https://en.wikipedia.org/wiki/Vantablack

  • https://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.105.053901

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue),撰文:王昱,审校:栗子

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