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超级黑PK超级白:纳米材料如何欺骗你的眼睛

果壳 20-12-07 关注

在《你是我的眼》中,盲人歌手萧煌奇深情地唱出“你眼前的黑不是黑,你说的白是什么白”,生动地描绘了视觉残障人士对光明世界的渴望。然而,对于能够看到身边周遭万物的普通人来说,一些色彩依旧会骗过人类的视觉,甚至光线。更神奇的是,这些色彩还有其他神奇的功效,能够对人类的生活起到意想不到的作用,而造就这种奇迹的,是日新月异的纳米技术

黑得如同现实缺了一块

下面这张图,在面具旁边有一块黑色的“漏洞”。然而,这并不是拙劣的抠图,那块“黑洞”其实是在同样的面具上,覆盖了一种黑色涂料。

超级黑PK超级白:纳米材料如何欺骗你的眼睛

黑色涂料覆盖了面具,如同抠图| Surreynanosystems

这种涂料叫做“Vantablack”,它能吸收99.96%的光线。当被Vantablack覆盖住后,面具上几乎没有光线被反射过来。如果你正面直视它,就会失去空间的纵深感,如同凝视深渊。

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两个面具的侧面 | Surreynanosystems

“Vanta”是“垂直排列碳纳米管阵列”(Vertically-aligned nanotube array)的缩写 。这个名字也明示了它的本质:这种涂层其实是紧密排列成束状的碳纳米管。

1991年,日本学者饭岛澄男发现了“碳纳米管”。这种高导电、高强度的线状材料,立刻引起了学界和企业界的兴趣。

但是,碳纳米管在实际使用时却面临很多问题,其中最不好解决的就是它们总是相互缠绕在一起,就好像耳机线一样。这种纠缠在一起的碳纳米管,会极大减少能被有效利用的面积,同时其本身的导电性等指标也会受到影响。

于是,学者们就想出了一种解决方案:让这些碳纳米管垂直生长起来,也就是形成碳纳米管阵列,如同在平地上种树一样。而这种“碳纳米管小森林”,有序度高、缠绕少,能够充分发挥碳纳米管的优异性能,在电子元器件中有很大的应用潜力。

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一种长在硅片上的碳纳米管阵列,如同小树林一样地笔直生长[2]

再回到Vantablack的颜色上。它能达到如此的吸光能力,也是因为碳纳米管阵列的特殊结构。

当光线入射到碳纳米管阵列后,光会在纳米管组成的森林中不断偏折,不断反弹,并最终被吸收,也就几乎不会反射出去。

简单来说,之所以Vantablack如此之黑,是因为光在碳纳米管中“迷了路”。

自2014年面世后,Vantablack一度作为“最黑的人造物”,入选了吉尼斯世界纪录。然而,这个纪录在随后不断被打破。

目前公开报道中,“最黑的材料”来自美国麻省理工学院(MIT)。2019年,MIT的研究团队研发了一种吸光能力高达99.995%的材料[3]。

研究者的这次突破也实属偶然。这项研究原本目标是提高导电材料性能,但当他们不断在涂层中塞入垂直碳纳米管后,却阴差阳错得到了这么一种“比黑更黑”的物质。

不过,目前这种材料还没有具体的名字,工艺也没那么成熟。所以,在“黑”的领域,Vantablack还是最为人称道。

理论上,这些“黑材料”的用处很多,最容易想到的,就是可以给光学仪器或者天文望远镜来做遮光罩。不过,即使是工艺成熟的Vantablack,它的制备要求也十分苛刻。同时,作为涂层的话,碳纳米管阵列也很容易脱落或者褪色,需要精心保护。

虽然暂时在商业上没法大范围推广,但架不住很多先锋者们前来尝鲜。比如,宝马公司涂装了他们的一辆车;也有瑞士手表厂商,用这个材料做了全黑的表盘。

按网友的评价:这些物件涂上了Vantablack后,就好像游戏中“未解锁”的道具。

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Vantablack涂装的一辆宝马车 | Surreynanosystems

显然,艺术家们也不会放过这种极致的颜色。2016年,英国艺术家安尼什·卡普尔(Anish Kapoor)买下了用Vantablack进行艺术创作的独家权利。这事当时还引起了巨大争议,大家议论的焦点是:艺术家能垄断一种颜色吗?

但准确来讲,卡普尔并没有垄断这种黑色。因为Vantablack只是一种材料,卡普尔只是得到了这种材料的独家使用权,就如同一家公司占有一个专利一样。只不过,恰巧只有这种材料能实现这种极致的黑色。

有消息称,卡普尔的第一件Vantablack作品,将在2021年问世,这值得期待。

能降温的极致白

既然有了极致的黑。那大家肯定忍不住要问,有没有办法能产生某种极致的白呢?

有。而且,自然界中早就有了这样的设计。

撒哈拉沙漠中,就有一种银白色的蚂蚁,叫做“撒哈拉银蚁”(Cataglyphis bombycina)。

越是极端的环境,越容易出现极端的生物。这种蚂蚁可以忍受当地高达70°C的温度,并能在沙漠中来去自如。有人形容“它们就像是流动的水银”。

为了加强散热,这些蚂蚁就演化出了银白色的外表。

通过高倍显微镜观察会发现,这种银白色来源于覆盖在蚂蚁表皮的很多纤细的“毛”。这些“细毛”的横截面是一种三角形的结构,可以有效地反射来自不同入射角度的光。反射掉光线,也就意味着能给蚂蚁降低不少的温度。研究者发现,这层“银白色”能让蚂蚁的体温降低5~10℃,堪称“随身空调”

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A:撒哈拉银蚁照片,B-E:撒哈拉银蚁表面覆盖的“毛”及其微观结构[4]

当然,蚂蚁的这种白还不算极致。2020年,美国普渡大学的研究团队报道了一种超白的涂料,可以反射95.5%以上的光。与之相比,目前商用白色涂料反光的能力只有80%到90%。

这种超白涂料的做法并不难,就是用亚克力和碳酸钙混合。不过,实验中用到的碳酸钙很有讲究,它们的颗粒尺寸范围很广,从几百纳米到几微米都有,这个颗粒分布是经过计算优化的,是为了尽可能散射太阳光谱中所有波长的光。

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A:超白涂层(左)与商用涂层的对比,B:碳酸钙微粒的微观结构[5]

同撒哈拉银蚁一样,研究者开发这种涂料也是想用来降温的。只不过,他们的计划是在房屋的外表涂这种超白涂层。

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左图为用新型涂料在普通白色涂料上写下了一个“P”,右图是红外温度分布,显示出“P”的温度要更低,因为新型涂料能反射更多的热量[5]

经过测算,在阳光照射下,这种超白涂层最多能比周围温度低10℃。如果给建筑表面涂上的话,在夏天即使没有空调,室内也可以很凉快 。

不过,在建筑外面的人会不会遭殃呢?

结构中的五彩斑斓

这世界不能只有纯黑和纯白,通过对微观结构的精准把控,能带来更多色彩。

在我们的印象里,巧克力往往是棕色或者黑色的。但在2019年,苏黎世联邦理工学院的学者们却做出了一块“彩虹巧克力”。

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彩色巧克力。也许,这就是所谓的“五彩斑斓的黑” | Ethz

根据报道,这个创意的起源,来自于一次闲聊。当时,有三个教授在大学的走廊里喝咖啡闲聊,他们中有一位食品科学家、一位材料科学家和一位研究光学的物理学家。

聊着聊着,话题就转到了巧克力,这几位最后抛出了一个问题:能不能做出彩色的巧克力呢?

当科学家们有了奇怪念头的时候,没人的行动力能超过他们。

这几位说干就干,开始尝试各种方法来给巧克力上色,不过最终效果都不太好。经过不断试错,他们最终决定,放弃色素或染料,而是在巧克力表面上压印特殊结构,来产生“结构色”。

所谓的“结构色”,是指不使用化学颜料,而是利用光在微观结构上的散射、干涉或衍射等作用,来产生颜色。

这个概念听起来有些抽象,但结构色在日常生活中随处可见。比如,蝴蝶翅膀艳丽的色彩,就是因为在翅膀表面覆盖着纳米级的鳞片。再比如,吹起的肥皂泡上五彩斑斓,也是因为光在它的泡泡薄膜结构上发生了干涉现象。

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蝴蝶翅膀颜色来自于其表面的纳米结构,下图为电子显微镜中所观察到的蝴蝶翅膀纳米结构[6]

借鉴了“结构色”的原理,研究者们开发了一种模具,能在巧克力表面印上特殊的“纳米花纹”,从而就做出了这种彩虹的效果。

不过,这些“花纹”具体长什么样子,还没有被揭秘。因为,研究者们打算成立一家公司,把这项工艺推广到更多食物上。

那么,问题来了,你愿意尝尝盖着一层彩虹的面包、糖果和饼干吗?

参考文献

[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:圆的方块

编辑:朱步冲

一个AI

甲方要我调个色,黑里透白,又白中带黑....

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本文来自果壳,未经授权不得转载.


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全部评论 (13)
Vivifox熙贝
10
2020-12-07

出门必撞牌轿车

Ahiok
1
2020-12-07

黑 色 高 级 车

无情的雨是六月的妳
0
2020-12-20

闽南人口中的超级白[敷面膜]

值友1059617558
0
2020-12-18

太棒了,太好看了,

壹靓車毛毛
0
2020-12-10

高科技,不错[观察]

值友9437120932
0
2020-12-08

超级黑竟然黑的可怕,深不见底感觉

值友4222161893
0
2020-12-08

真·彩虹糖

visin1799
0
2020-12-08

这真是名副其实的 高级黑

开箱狗
0
2020-12-08

有Up主做过最黑的黑色测评啊~https://www.bilibili.com/video/BV1Yp4y197Z4

Joseph萌猫
0
2020-12-07

涨姿势啊啊

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