超級黑PK超級白:納米材料如何欺騙你的眼睛

2020-12-12 澎湃新聞

原創 圓的方塊 果殼

在《你是我的眼》中,盲人歌手蕭煌奇深情地唱出「你眼前的黑不是黑,你說的白是什麼白」,生動地描繪了視覺殘障人士對光明世界的渴望。然而,對於能夠看到身邊周遭萬物的普通人來說,一些色彩依舊會騙過人類的視覺,甚至光線。更神奇的是,這些色彩還有其他神奇的功效,能夠對人類的生活起到意想不到的作用,而造就這種奇蹟的,是日新月異的納米技術。

黑得如同現實缺了一塊

下面這張圖,在面具旁邊有一塊黑色的「漏洞」。然而,這並不是拙劣的摳圖,那塊「黑洞」其實是在同樣的面具上,覆蓋了一種黑色塗料。

黑色塗料覆蓋了面具,如同摳圖| www.Surreynanosystems.com

這種塗料叫做「Vantablack」,它能吸收99.96%的光線。當被Vantablack覆蓋住後,面具上幾乎沒有光線被反射過來。如果你正面直視它,就會失去空間的縱深感,如同凝視深淵。

兩個面具的側面 | www.Surreynanosystems.com

「Vanta」是「垂直排列碳納米管陣列」(Vertically-aligned nanotube array)的縮寫 。這個名字也明示了它的本質:這種塗層其實是緊密排列成束狀的碳納米管。

1991年,日本學者飯島澄男發現了「碳納米管」。這種高導電、高強度的線狀材料,立刻引起了學界和企業界的興趣。

但是,碳納米管在實際使用時卻面臨很多問題,其中最不好解決的就是它們總是相互纏繞在一起,就好像耳機線一樣。這種糾纏在一起的碳納米管,會極大減少能被有效利用的面積,同時其本身的導電性等指標也會受到影響。

於是,學者們就想出了一種解決方案:讓這些碳納米管垂直生長起來,也就是形成碳納米管陣列,如同在平地上種樹一樣。而這種「碳納米管小森林」,有序度高、纏繞少,能夠充分發揮碳納米管的優異性能,在電子元器件中有很大的應用潛力。

一種長在矽片上的碳納米管陣列,如同小樹林一樣地筆直生長[2]

再回到Vantablack的顏色上。它能達到如此的吸光能力,也是因為碳納米管陣列的特殊結構。

當光線入射到碳納米管陣列後,光會在納米管組成的森林中不斷偏折,不斷反彈,並最終被吸收,也就幾乎不會反射出去。

簡單來說,之所以Vantablack如此之黑,是因為光在碳納米管中「迷了路」。

自2014年面世後,Vantablack一度作為「最黑的人造物」,入選了金氏世界紀錄。然而,這個紀錄在隨後不斷被打破。

目前公開報導中,「最黑的材料」來自美國麻省理工學院(MIT)。2019年,MIT的研究團隊研發了一種吸光能力高達99.995%的材料[3]。

研究者的這次突破也實屬偶然。這項研究原本目標是提高導電材料性能,但當他們不斷在塗層中塞入垂直碳納米管後,卻陰差陽錯得到了這麼一種「比黑更黑」的物質。

不過,目前這種材料還沒有具體的名字,工藝也沒那麼成熟。所以,在「黑」的領域,Vantablack還是最為人稱道。

理論上,這些「黑材料」的用處很多,最容易想到的,就是可以給光學儀器或者天文望遠鏡來做遮光罩。不過,即使是工藝成熟的Vantablack,它的製備要求也十分苛刻。同時,作為塗層的話,碳納米管陣列也很容易脫落或者褪色,需要精心保護。

雖然暫時在商業上沒法大範圍推廣,但架不住很多先鋒者們前來嘗鮮。比如,寶馬公司塗裝了他們的一輛車;也有瑞士手錶廠商,用這個材料做了全黑的錶盤。

按網友的評價:這些物件塗上了Vantablack後,就好像遊戲中「未解鎖」的道具。

Vantablack塗裝的一輛寶馬車 | Surreynanosystems.com

顯然,藝術家們也不會放過這種極致的顏色。2016年,英國藝術家安尼什·卡普爾(Anish Kapoor)買下了用Vantablack進行藝術創作的獨家權利。這事當時還引起了巨大爭議,大家議論的焦點是:藝術家能壟斷一種顏色嗎?

但準確來講,卡普爾並沒有壟斷這種黑色。因為Vantablack只是一種材料,卡普爾只是得到了這種材料的獨家使用權,就如同一家公司佔有一個專利一樣。只不過,恰巧只有這種材料能實現這種極致的黑色。

有消息稱,卡普爾的第一件Vantablack作品,將在2021年問世,這值得期待。

能降溫的極致白

既然有了極致的黑。那大家肯定忍不住要問,有沒有辦法能產生某種極致的白呢?

有。而且,自然界中早就有了這樣的設計。

在撒哈拉沙漠中,就有一種銀白色的螞蟻,叫做「撒哈拉銀蟻」(Cataglyphis bombycina)。

越是極端的環境,越容易出現極端的生物。這種螞蟻可以忍受當地高達70°C的溫度,並能在沙漠中來去自如。有人形容「它們就像是流動的水銀」。

為了加強散熱,這些螞蟻就演化出了銀白色的外表。

通過高倍顯微鏡觀察會發現,這種銀白色來源於覆蓋在螞蟻表皮的很多纖細的「毛」。這些「細毛」的橫截面是一種三角形的結構,可以有效地反射來自不同入射角度的光。反射掉光線,也就意味著能給螞蟻降低不少的溫度。研究者發現,這層「銀白色」能讓螞蟻的體溫降低5~10℃,堪稱「隨身空調」。

A:撒哈拉銀蟻照片,B-E:撒哈拉銀蟻表面覆蓋的「毛」及其微觀結構[4]

當然,螞蟻的這種白還不算極致。2020年,美國普渡大學的研究團隊報導了一種超白的塗料,可以反射95.5%以上的光。與之相比,目前商用白色塗料反光的能力只有80%到90%。

這種超白塗料的做法並不難,就是用亞克力和碳酸鈣混合。不過,實驗中用到的碳酸鈣很有講究,它們的顆粒尺寸範圍很廣,從幾百納米到幾微米都有,這個顆粒分布是經過計算優化的,是為了儘可能散射太陽光譜中所有波長的光。

A:超白塗層(左)與商用塗層的對比,B:碳酸鈣微粒的微觀結構[5]

同撒哈拉銀蟻一樣,研究者開發這種塗料也是想用來降溫的。只不過,他們的計劃是在房屋的外表塗這種超白塗層。

左圖為用新型塗料在普通白色塗料上寫下了一個「P」,右圖是紅外溫度分布,顯示出「P」的溫度要更低,因為新型塗料能反射更多的熱量[5]

經過測算,在陽光照射下,這種超白塗層最多能比周圍溫度低10℃。如果給建築表面塗上的話,在夏天即使沒有空調,室內也可以很涼快 。

不過,在建築外面的人會不會遭殃呢?

結構中的五彩斑斕

這世界不能只有純黑和純白,通過對微觀結構的精準把控,能帶來更多色彩。

在我們的印象裡,巧克力往往是棕色或者黑色的。但在2019年,蘇黎世聯邦理工學院的學者們卻做出了一塊「彩虹巧克力」。

彩色巧克力。也許,這就是所謂的「五彩斑斕的黑」 | www.Ethz.ch

根據報導,這個創意的起源,來自於一次閒聊。當時,有三個教授在大學的走廊裡喝咖啡閒聊,他們中有一位食品科學家、一位材料科學家和一位研究光學的物理學家。

聊著聊著,話題就轉到了巧克力,這幾位最後拋出了一個問題:能不能做出彩色的巧克力呢?

當科學家們有了奇怪念頭的時候,沒人的行動力能超過他們。

這幾位說幹就幹,開始嘗試各種方法來給巧克力上色,不過最終效果都不太好。經過不斷試錯,他們最終決定,放棄色素或染料,而是在巧克力表面上壓印特殊結構,來產生「結構色」。

所謂的「結構色」,是指不使用化學顏料,而是利用光在微觀結構上的散射、幹涉或衍射等作用,來產生顏色。

這個概念聽起來有些抽象,但結構色在日常生活中隨處可見。比如,蝴蝶翅膀豔麗的色彩,就是因為在翅膀表面覆蓋著納米級的鱗片。再比如,吹起的肥皂泡上五彩斑斕,也是因為光在它的泡泡薄膜結構上發生了幹涉現象。

蝴蝶翅膀顏色來自於其表面的納米結構,下圖為電子顯微鏡中所觀察到的蝴蝶翅膀納米結構[6]

借鑑了「結構色」的原理,研究者們開發了一種模具,能在巧克力表面印上特殊的「納米花紋」,從而就做出了這種彩虹的效果。

不過,這些「花紋」具體長什麼樣子,還沒有被揭秘。因為,研究者們打算成立一家公司,把這項工藝推廣到更多食物上。

那麼,問題來了,你願意嘗嘗蓋著一層彩虹的麵包、糖果和餅乾嗎?

參考文獻

[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 Materials & Interfaces, 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:圓的方塊

編輯:朱步衝

一個AI

甲方要我調個色,黑裡透白,又白中帶黑....

本文來自果殼,未經授權不得轉載.

原標題:《超級黑PK超級白:納米材料如何欺騙你的眼睛》

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