Najczarniejsza czerń

Gdyby udało się stworzyć sukienkę z materiału idealnie czarnego, to… żadna kobieta by jej nie włożyła. Ciało w takiej powłoce wydawałoby się bowiem płaską czarną plamą. A to dlatego, że obiekt idealnie czarny pochłania 100% docierającego do niego światła. Innymi słowy, nawet jeśli miałby różne wklęsłości i wypukłości, to nie zobaczylibyśmy tego, gdyż nie odbijałyby się od niego żadne fotony. Wynika z tego więc, że czerń absolutna nie zrobi prawdopodobnie kariery w świecie mody. Mimo to sam materiał jest obiektem zainteresowania wielu innych gałęzi przemysłu. Ponieważ pochłaniałby wszystkie fotony, to byłby idealnym rozwiązaniem dla projektantów paneli słonecznych. Można by także za jego pomocą tłumić niepożądane efekty optyczne, które są zmorą użytkowników teleskopów, kamer i aparatów fotograficznych. Czernią absolutną jest również zainteresowane amerykańskie wojsko, które pragnie ją wykorzystać do kamuflażu myśliwców.

Pierwszym sektorem, który dostrzegł zalety czerni absolutnej, był przemysł kosmiczny. Badacze wszechświata musieli bowiem zmagać się z niemiłym problemem podczas obserwacji astronomicznych, tzw. olśnieniem. Kiedy chcieli obserwować bardzo małe lub odległe ciała niebieskie, niepokoiły ich przechwytywane jednocześnie niepożądane sygnały pochodzące od jaśniejszych obiektów. Żeby temu zaradzić, pomalowano powierzchnię otaczającą przyrządy optyczne najczarniejszą dostępną na rynku farbą, zwaną Z306. Rozwiązanie to było jednak niewystarczające, więc stwierdzono, że należy stworzyć materiał jeszcze czarniejszy, by nie tylko podziwiać planety znajdujące się blisko jasnych gwiazd, ale także obserwować np. ciemne wody ziemskich oceanów opływające połyskujące lodowce. I tak rozpoczął się trwający już 10 lat wyścig po najczarniejszą czerń.

Nanorurkowa pułapka

Bardzo szybko okazało się, że nie wystarczy popracować nad kompozycją chemiczną pigmentów, by osiągnąć sukces. W najlepszym razie taka farba absorbowała najwyżej 90% docierającego do niej światła. Zamiast tego należało nauczyć się manipulować materią w nanoskali tak, aby móc zapanować nad jej różnorodnymi właściwościami. Wybór padł na nanorurki węglowe. Dekadę temu struktury te były bardziej znane ze względu na swoje właściwości elektryczne niż optyczne. Na szczęście John Hagopian z NASA ustalił, że w odpowiednich warunkach mogą one stać się doskonałym pochłaniaczem światła. Trzeba je tylko rozmieścić tak, aby utworzyły jedyny w swoim rodzaju dywan o pionowym włosiu z nanorurek, które ze względu na budowę w jakichś 99% wypełnia powietrze. Uderzając w nie, fotony wnikają do ich wnętrza i już nigdy z nich nie wychodzą, ponieważ w dywanie jest za mało materii, od której mogłyby się odbić. Jak szczury w labiryncie błądzą więc w nanostrukturze, tracąc energię, w wyniku czego światło zostaje całkowicie zaabsorbowane. Jedynym skutkiem ubocznym tego procesu jest emisja ciepła. Wynaleziony w 2007 r. materiał pochłania 99,5% światła, które do niego dociera, w różnym zakresie fal – od UV poprzez światło widzialne aż do podczerwieni. Co więcej, obecność wody, ze względu na silną hydrofobowość materiału, nie ma żadnego wpływu na ten efekt. Na uwagę zasługuje również 7,5 razy większa przewodność elektryczna nanorurek węglowych od miedzi oraz ich dziesięciokrotnie wyższa wytrzymałość od stali.

Vantablack w kosmosie i... w galeriach sztuki

Zachęcone tymi wynikami inne grupy badawcze również zaczęły pracować nad czernią absolutną stworzoną na bazie nanorurek węglowych. W tym celu naukowcy testowali różne sposoby ich rozmieszczenia, a także skracali je lub wydłużali. Niecały rok później badacze z Rensselaer Polytechnic Institute w Nowym Jorku ogłosili, że udało im się stworzyć materiał, który pochłania 99,9% światła, i trafili tym samym do „Księgi rekordów Guinnessa”. Natomiast w 2014 r. brytyjska firma Surrey NanoSystems wypuściła na rynek vantablack, materiał absorbujący 99,965% padających na niego fotonów. Interakcję tę można podziwiać na stronie www.youtube.com/watch? time_continue=12&v=O0CYc_mC3Uo. Produkt istnieje w kilku wariantach. Jednym z nim jest sprej, który tak zachwycił rzeźbiarza Anisha Kapoora, że wykupił on wyłączne prawa do jego używania (do celów artystycznych oczywiście). Rozpoczął tym samym wojnę z kolegą po fachu Stuartem Semple’em, który tak zdenerwował się na rzeźbiarza, że zakazał mu używania wynalezionego przez siebie pigmentu znanego jako najgłębszy odcień różu na Ziemi.

Na szczęście konflikt między artystami nie przeszkodził twórcom vantablack w realizacji innych projektów. I tak w 2015 r. produkt został przetestowany w kosmosie na pokładzie mikrosatelity Kent Ridge 1, mającego monitorować klimat, ekosystemy i wszelkie katastrofy ekologiczne w Azji. Satelita posiada moduł do śledzenia gwiazd, czyli urządzenie optyczne mierzące położenie tych ciał niebieskich za pomocą fotokomórek lub kamery, co zapewnia jego pozycjonowanie. Zastosowanie vantablack zmniejszyło ilość wpadającego niepożądanego światła do urządzenia o rząd wielkości w porównaniu z konwencjonalnymi powłokami i rozszerzyło zakres kątowy, w którym sprzęt jest w stanie działać w obecności jasnych źródeł światła, takich jak Słońce i Księżyc.

Czarne złoto

Oprócz nanorurek węglowych liczne ekipy naukowe testują także inne nanostruktury, np. nanocząsteczki metali i ich tlenków, bo wierzą, że w niektórych przypadkach te sprawdzą się lepiej. Andrea Fratalocchi z Uniwersytetu Nauki i Techniki Króla Abdullaha w Arabii Saudyjskiej pracuje nad ultraczarnymi powierzchniami na bazie nanostruktur złota. I o ile czarne nanorurki z węgla są dla nas czymś normalnym, o tyle czarne złoto może się wydawać niektórym co najmniej dziwne. Należy jednak pamiętać, że nanocząsteczki powstają w sztucznych warunkach, kiedy ich pojedyncze atomy wiązane są ze sobą w nowy sposób. Z otrzymanej struktury wynikają nowe właściwości fizyczne, umożliwiające nieznane do tej pory zastosowania tych materiałów. Innymi słowy, złoto w postaci nanocząsteczek nie ma nic wspólnego ze złotem znanym nam z życia. Nie ma ono połysku, jest bardzo reaktywne i w zależności od kształtu i rozmiaru nanocząsteczek może przyjmować różne barwy. I tak np. nanosfery są czerwonofioletowe, a nanogwiazdki – niebieskie. Natomiast pojedyncza nanocząsteczka wspomnianego czarnego złota zbudowana jest z nanoprętu, do którego przyczepiona jest nanosfera. Nanopręty zachowują się jak maleńkie anteny wychwytujące światło z otoczenia. Podczas przechodzenia przez pręty fotony są wyłapywane i więzione w znajdujących się na nich nanosferach, gdzie tracą energię, aż światło zostanie całkowicie pochłonięte. Nanostruktury pochłaniają „tylko” 98,43% światła, ale powłoka z nich zrobiona jest 100-krotnie cieńsza od warstwy z vantablack. Andrea Fratalocchi pracuje obecnie nad zastosowaniem czarnych nanocząsteczek złota do produkcji paneli słonecznych.

Mimo że minęła zaledwie dekada od momentu, gdy naukowcy z całego świata rozpoczęli wyścig o czerń absolutną, jesteśmy już o krok od znalezienia tego Świętego Graala fizyki. Co więcej, wynajdujemy coraz to nowsze zastosowania dla ultraczarnych materiałów. Być może już niedługo powiedzenie „Widzieć przyszłość w czarnych barwach” nabierze zupełnie nowego znaczenia.

***

Ultrabiel

Podobnie jak czerń, biel nie jest kolorem. Biały obiekt to taki, który odbija światło w całym zakresie kolorów. Ultrabiałe materiały to zatem… lustra. Istnieją powierzchnie lustrzane ze szkła lub metali (głównie aluminium), które są tak idealnie wypolerowane, że odbijają więcej światła niż najbielsze prześcieradło. Lustro stworzone w Laboratoire des Matériaux Avancés we Francji odbija 99,999% światła z zakresu podczerwieni i zostało użyte do budowy detektora fal grawitacyjnych LIGO. W 2015 r. urządzenie po raz pierwszy w historii zarejestrowało fale grawitacyjne, które pochodziły ze zderzenia układu dwóch czarnych dziur, do którego doszło ponad miliard lat temu.

***

Najczarniejsza czerń w przyrodzie

Rajskie ptaki, występujące głównie w lasach Papui-Nowej Gwinei i Australii, są bez wątpienia najbardziej kolorowymi ptakami na Ziemi. U wielu gatunków samce mają bardzo czarne upierzenie, które podkreśla ich jaskrawo zabarwione miejsca i sprawia, że stają się bardziej pociągające dla samic. Pióra ozdobnika lirogłowego są tak czarne, że pochłaniają aż 99,95% światła! Ich sekretem jest niezwykła struktura zaprojektowana przez naturę. Normalne pióra mają budowę fraktalną – ich skrawki powiększone pod mikroskopem elektronowym wyglądają jak małe, płaskie piórko w mikroskali. Natomiast superczarne pióra rajskich ptaków wyglądają jak drzewa z ciasno upakowanymi liśćmi. Kiedy promienie światła uderzają w te struktury, wielokrotnie rozpraszają się pośród nich i są pochłaniane, a nie odbijane z powrotem do obserwatora.