科学家寻找最黑的黑色：吸收高达99.9%光的材料

有黑色，然后是超黑：一种比黑色更黑的颜色，可吸收高达 99.9% 的光。一些蛇类和深海鱼类进化出这些超黑色鳞片来伪装它们在黑暗环境中的活动，而孔雀蜘蛛和某些天堂鸟则将这种颜色与更鲜艳的色调相结合，用于引人注目的求爱仪式。
斯坦福大学生物光子学博士后研究员 Dakota McCoy 说，这些生物适应性——比如一些天堂鸟如何利用它们吸光的羽毛将称为光子的粒子转化为热能——可以作为新技术的灵感来源。“工程师非常聪明，他们制造了很棒的设备，但大自然有一些很酷的技巧，”麦考伊说。“我们可以看看这些鸟类和这些蜘蛛，并尝试从能够很好地吸收光线的弹性、耐候材料中获得灵感。例如，正在研究 [孔雀] 蜘蛛用于制造新的太阳能电池板涂层。”
事实上，十多年来，科学家们一直在寻找他们自己的、改进版的超黑材料——但不是为了求爱仪式。能够吸收 99.9% 以上光的材料可以增加太阳能技术中的热量吸收，或用于军事应用，如热伪装。它们还被用于太空，防止杂散光进入望远镜并改进专注于地球辐射预算的红外传感器。但是这些材料到底能黑到什么程度呢？

黄金标准

自史前时代以来，人类就使用炭黑，传统上通过烧焦象牙、骨头或葡萄藤和茎制成的颜料。艺术家伦勃朗和约翰内斯·维米尔等人在许多著名画作中使用了炭黑。美国天文学家塞缪尔·皮尔庞特·兰利( Samuel Pierpont Langley ) 在 1870 年代使用煤气灯的烟尘制作了第一个辐射热计（一种通过变黑金属条的温度上升测量太阳辐射的仪器）。
源自金、银和镍的金属黑后来出现，今天科学家仍在使用。“[金黑] 是蓬松的，因为缺乏更复杂的表达方式，”美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的物理学家 John Lehman 说，他在 80 年代开始用金黑制造探测器。“在低压氮气环境中蒸发是黄金，如果条件恰到好处，这非常类似于人行道上的雪。”
当雪落在温暖的人行道上时，它会变成湿漉漉的烂摊子。但是当雪发现自己在寒冷的人行道上时，它更容易积聚——形成一种类似于天堂鸟的超级黑色羽毛的“蓬松”结构。在最终被吸收之前，光子以几乎相同的方式在金属黑的微观结构周围发出嘎嘎声。

不断增长的纳米管森林

2004 年左右，雷曼兄弟开始研究金属黑的新替代品：碳纳米管、碳原子圆柱体或石墨。这些管子的直径最多为 100 纳米，比人的头发还要细 1,000 多倍。“如果纳米管是一根电线杆，那它就是一根直径一英尺、长三英里的电线杆，”雷曼说。为了制造它们，科学家们在无氧炉中用金属（如铁）烹制石墨。随着石墨加热，它会在向上构建之前沉入金属提供的环状模板中。

碳纳米管是迄今为止发现的最坚固、最坚硬的材料之一，但这并不是雷曼兄弟和其他研究人员在寻找最黑的黑色时转向它们的唯一原因。它们也可以通过光刻方式生长，这意味着研究人员可以将它们准确放置在需要的地方，并在达到所需高度时停止生长。“在过去，金黑色——双关语——是一种黑色艺术，”雷曼说。“要让‘人行道’的温度保持在合适的水平，以及诸如此类的事情，这真的很难做到。所以我们真的觉得这更像是一门科学而不是一门艺术。”
当排列在适当间隔的“森林”中时，碳纳米管会变得更黑。Lehman 和他在 NIST 的同事们种植了每平方厘米含有约 10 亿个纳米管的低密度森林。这听起来可能很多，但事实并非如此。与光子的大小相比，这些管子非常薄——大约 400 到 700 纳米，足够薄以捕获光子而不是让它们立即反弹。

让军备竞赛开始

在过去的几年里，许多公司和机构都开发了自己的使用碳纳米管的超黑材料。每个的效率取决于纳米管森林的最终高度、密度和分布。据其网站称，由英国萨里纳米系统公司创建的Vantablack “保持着独立验证的最黑暗人造物质的世界纪录”。这也是大多数人所熟悉的超黑材料，这要归功于对颜料的艺术访问引发的全面战争。雷曼说，萨里版本的材料更像是一张纳米管图，而不是一片森林。“他们设法使这种涂料的密度非常低，并去除了粘合剂，使其看起来更像棉花糖。”
2019 年麻省理工学院推出了一个更新版本。在这种情况下，研究人员从已经有点粗糙的金属模板开始。当纳米管生长时，它们的高度不一致——增加了额外的粗糙度。这种超黑材料在纽约证券交易所的一场名为“虚荣的救赎”的艺术展上亮相，其中包括一颗价值 200 万美元的天然黄色钻石，上面涂有碳纳米管，直到它在人眼看来是二维的空白。

雷曼兄弟说军备竞赛没有结束的迹象：“我的职业生涯始于制造黑色涂料，我们已经这样做了 15 年多了。我认为这将不断地在你可以制造出多黑和实际应用之间进行权衡。” 他说，尽管有说法，但哪种材料是真正最黑的黑色仍有争议。但有一点很清楚：每个都吸收了大量的光（高达 99.9%）并且不仅限于可见光。

红外线……及其他

碳纳米管即使在可见光范围之外也能吸收波长的光，包括红外线和远红外线。这使得它们可用于各种传感器和探测器——尤其是在太空中。
2018 年，科罗拉多大学博尔德大学大气与空间物理实验室 (LASP) 发射了一颗名为Compact Spectral Irradiance Monitor的卫星，用于测量太阳的亮度。它采用由碳纳米管制成的光吸收器设计，比其前辈具有更高的灵敏度和更宽的波长范围。LASP 很快将与 NASA 合作进行一项耗资近 1.3 亿美元的任务，称为Libera，以记录每天有多少能量进入和离开我们星球的大气层。当涉及到地球气候如何随时间演变时，这是至关重要的信息。
“花费了数百万美元，但归根结底是望远镜底部的一个微型探测器，上面有碳纳米管，告诉我们温度是多少，”雷曼说。“这是我非常兴奋的事情。”