又黑又醜的深海魚,夥同黑鳥黑蜘蛛,把天文望遠鏡塗得更黑

2021-01-10 法蘭西is培根

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

自然界裡最黑的動物是誰?是深海魚,極樂鳥,還是孔雀蜘蛛?

無論是天然黑,還是人造黑,100%的黑都不存在,但是以上3種動物的黑度都超過了99.5%,穩居黑榜榜單的霸主地位。

一路走黑道,追求極致黑的動物,目標一致,動機卻各不相同,長黑的手段也各有千秋。它們中間,誰能登上黑老大的王位,我們尋找黑老大的意義又在哪裡?

超黑魚

先來看深海魚,海洋深度超過200米以後,陽光難以穿透水層。在黑暗的海洋裡,融入海水的黑色是最好的偽裝色,不僅能躲避捕獵者,還能潛伏捕獲小魚。杜克大學團隊,打撈了18種黑色深海魚,其中16種的黑度超過了99.5%。前3強分別是:夢角鮟鱇魚,穴口奇棘魚(它還有個名字是:太平洋黑龍),發光炬燈魚。

看上去樣貌醜陋的深海魚,可不是因為沒人看見,就隨便長長的不求上進魚。它一心一意追求的境界是:你管我長成什麼樣,我的目的是讓你看不見我的模樣。不要說在深海裡看不到它,就連在陽光下,你都看不清它的長相。深海魚的黑皮膚就像黑洞一樣,把照射在身上的光線統統吸收進去。下面這張超黑魚的圖片,是經過過度曝光,編輯處理後的圖片。

因為有光,我們才能看見事物的模樣和色彩。可見光光譜波長在380~780nm之間,不同波長的光對應不同的顏色。皮膚裡的黑色素,能吸收各種波長的光。吸收的光越多,反射的越少,皮膚也就越黑。黑度代表了對光線的吸收率,當所有的光線都被皮膚吸收,沒有一絲反射時,皮膚的黑度就是100%。但到目前為止,沒有任何材料能達到100%的黑度。

夢角鮟鱇魚,對480nm波長光的反射率為0.044%,對可見光所有波長的平均反射率為0.051%,也就是說,它的黑度達到了99.95%。鮟鱇魚超黑的黑度,來自於密集堆積的黑色素。在表皮和真皮交界處的基底膜下方,有一層充滿黑色素的細胞器(黑素體),就在圖片裡黑色箭頭所指之處。

其他深色魚的黑素體之間有鬆散的膠原蛋白空隙,而鮟鱇魚的黑素體不留一絲縫隙。不僅排列緊密,而且鮟鱇魚黑素體的體積,比其他魚兒的都要大。大個的黑素體肩並肩地擠在一起,擒獲住到達皮膚的每一絲光線。

更加神奇的是,對自己黑度非常有信心的鮟鱇魚,還在頭頂上點了一盞燈,開亮燈都照不到它的身影。頭頂燈的光線能吸引覓食的小魚兒,燈下黑的鮟鱇魚只要張大嘴巴,等著小魚遊過來自投羅網。

超級黑和普通黑相比有什麼優勢?反射率為千分之0.5的鮟鱇魚,跟反射率為2%的黑魚相比,能使捕食者的瞄準距離減少6倍以上。或者說,捕食的大魚在6米遠的地方看到了普通黑魚,但要到1米之內才能發現超黑鮟鱇魚。

極樂鳥

深海魚的黑是偽裝色,其他動物的黑就不一樣了。華美極樂鳥的黑羽,能襯託身上美麗的藍色。生活在紐幾內亞島上的小鳥,看上去黑乎乎的並不出眾。但是當它來到雌性極樂鳥身邊,展開舞裙炫耀舞步時,妹子都被嚇呆了。

鮟鱇魚的黑素體吸收光線,呈現出來的黑色,跟花朵的顏色一樣,是色素色,也叫化學色。而鳥兒羽毛的顏色,除了化學色外,還有物理色。你看到羽毛的顏色,有一部分是色素呈現出現的顏色,還有一部分,是羽毛上微小結構反射光線的顏色,叫做結構色,或是物理色。物理色的特點是,在光線照射下,從不同的角度能看到不同的顏色,比如色彩繽紛的肥皂泡。全身黑色的烏鴉,在光線照射下,覆蓋著一層金屬光澤,這是羽毛結構反射出來的光線。

極樂鳥跟烏鴉一樣,羽毛上也有物理色。不過,極樂鳥的黑羽跟烏鴉的黑羽可不一樣,烏鴉黑羽會反射光線,而極樂鳥的黑羽是吸收光線。烏鴉是油光水滑的亮黑,極樂鳥是拒絕一切反光的啞光黑。

圖片裡是普通黑羽跟超級黑羽的細節對比,普通羽毛的羽小枝平鋪排列,邊緣光滑,中間的間隔鬆散。超黑羽毛的微觀結構像立體的柏樹葉子,羽小枝向上彎曲排列,邊緣有一齒一齒的葉牙,結構緊密,表面上起伏不平。樹葉一樣的微結構,形成了一個個有深度的彎曲空腔,當光線照射到羽毛上,經過在空腔內的多次散射,被空腔消耗吸收。物理色的黑度不亞於化學色的黑度,華美極樂鳥最黑黑度為99.95%。

孔雀蜘蛛

利用物質結構吸收光線的動物,不止極樂鳥一種,登上自然界黑榜前3強的還有孔雀蜘蛛。生活在澳大利亞,比指甲殼還小的蜘蛛,像孔雀一樣美麗。它用身上超黑的黑色斑塊來反襯其他顏色,讓彩色更加璀璨奪目。孔雀蜘蛛像極樂鳥一樣,面對妹子時,總要炫耀舞技。翹起五顏六色的肚皮,在妹子跟前左右搖擺。肚皮上的五彩花紋,在黑斑的襯託下熠熠生輝。

哈佛大學團隊,探索了孔雀蜘蛛黑斑的秘密。圖片上是兩種孔雀蜘蛛肚皮上的黑斑處的細節。

黑斑的角質層上,布滿了規則的凸起。相比之下,普通黑蜘蛛的角質層是光滑的。像氣泡墊一樣起伏不平的表皮,形成了一個個捕捉光線的空腔,呈現出超黑色。孔雀蜘蛛身上最黑斑塊的黑度為99.65%。

孔雀蜘蛛和極樂鳥一樣,超黑斑塊總是出現在明亮的,高飽和度的結構化顏色旁邊。超黑色斑能消除亮色斑塊周圍的鏡面反射,站在對面的妹子看過來,看不清那些鮮豔色塊反射出的環境光線,認為就是色塊自身在發光,被它們美得發光的容顏深深地吸引。

動物身上的顏色能起很多作用,比如偽裝,模仿,警告,或是社交示意信號。鮟鱇魚的極致黑,偽裝為了生存。鳥和蜘蛛的極致黑,吸引妹子目光為了爭奪生殖權。對於單個個體來說,生存最重要,但對於族群群體來說,生殖的權重大過於生存。你看那些漂亮的雄性動物,把生命裡限量的資源都用在裝扮上,而不是用來增加肌肉、更新武器。36億年的演化經驗告訴我們:徵服妹子比打敗敵人更加重要。

人造黑

科研團隊一直在探索自然界裡的超級黑,只是為了給動物們排隊列個超黑榜單嗎?當然不是,探索超級黑的話題要追溯到30年前,第一次發射到太空的哈勃望遠鏡身上。NASA的天文學家發現,通過望遠鏡觀察遠方微弱的信號時,往往會 截獲更加明亮的天體之光。更亮的天體幹擾了對目標天體的觀察。

工程師在哈勃望遠鏡的光學器件周圍,塗上了當時最黑的塗料,Z306聚氨酯塗料,可是塗料只能吸收90%的光線,不能全部過濾掉其他發光天體的光線影響。

還有更黑的塗料嗎?NASA團隊把目光轉向自然界 ,看看海陸空的夥伴們有沒有更黑的材料。在探索動物身上超級黑的過程中,團隊發現了一個最重要的關鍵點。原來僅僅依靠材料的化學組分來塗黑並不夠,還要用幾何結構來捕獲光子。於是,碳納米管成了首選材料。

2007年,團隊將納米級粗細的碳管平行排列,組成99%中空的片狀材料。光子落在材料上,在空間裡左右散射而找不到出路,最終被捕獲。碳納米管成功地吸收了99.5%的光線,比Z306的吸光率要高上10倍。

碳納米管設計成功後,接下來,人造黑越做越黑,視頻裡是最有名的Vantablack黑材料做成的面具,由英國薩裡納米系統公司研製。黑面具的五官跟旁邊的金屬面具一模一樣,但是,你只能看見黑面具的輪廓,卻看不見面具上的五官,就像你在陽光照耀下,只能看見夢角鮟鱇魚的輪廓,卻看不見它的模樣一樣。

黑材料對750nm波長以下的可見光,吸收率達到99.965%。深海魚,極樂鳥,孔雀蜘蛛,身上的微結構尺寸以微米為計量單位,但是人造黑的微結構能做到更小,尺寸以納米為計量單位,更勝一籌。人造黑超過了自然界裡最黑的黑度,登上了黑老大的王位。

給哈勃望遠鏡塗上黑材料,科學家們看清了以前看不清的細節,比如耀眼恆星周圍的行星,還有地球上明亮冰面旁的那些昏暗海洋水面。

黑夜給了我黑色的眼睛,我要用來尋找藍星上最黑的黑色。

#科學了不起#

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