第1个回答 2022-06-29
这是韩国“现代展馆”的抛面墙,它黑到连三维立体结构都消失了,即使打开墙上的灯光也很难看到有墙的存在,反而像星罗棋布的宇宙,让人有漫步太空的感觉。
我们知道除了黑洞,地球上任何物质都会反射光线,只是强弱程度不一样,但只要有光照着基本都能用肉眼看个大概,难道这面墙就跟黑洞一样能吞噬光芒吗?
黑洞是宇宙中一种引力非常强大的天体,它能吞噬掉包括光以内的所有物质,由于既不会发光也不会反射光,所以黑洞周围都是漆黑的一片,故而称之为黑洞。
黑洞是恒星演化的最后阶段,它的形成条件十分苛刻,就算太阳也因为质量太小而不能演变成黑洞,它在生命尽头会先变成红巨星,红巨星会吞噬掉地球在内的大部分星球,然后在引力的作用下开始向内部坍缩,由于质量小引力也小,最后只能缩小成白矮星。
太阳的寿命起码还有几十亿年,或许那时候的人类早已消亡,也或许 科技 发达到可以让地球逃离太阳系,所以用不着担心世界末日的问题。
虽然地球上不可能存在黑洞,但是科学家可以研发新材料,吸光效果可以无限接近黑洞,韩国现代展馆黑墙也是因为涂上了一种吸光材料,这种材料是由英国萨里纳米系统公司研制
英文名缩写为Vantablack,翻译过来就叫梵塔黑,意为垂直排列碳纳米管阵列。
梵塔黑在问世之初号称地球上最黑的物质,在宇宙中是最接近黑洞的存在,如果用它来制作一件衣服,穿上这件衣服的人可能会被当做怪物。因为只能看得见脑袋和四肢,身体则是一片漆黑的空洞,连身体轮廓都看不出来。
夏天穿黑色衣服站在阳光下会明显感觉更热,穿白色的衣服就会凉快许多,这是因为颜色越深的物体,其吸光的能力就越强。
光其实是高速运动的光子,它们的速度达到30万公里每秒,一旦照射到物体上势必会和粒子发生碰撞和反射,只有部分光子会被转化成热量吸收掉,除非在光线比较暗的地方黑色物体就不容易被发现。
梵塔黑同样也会反射光线,只不过它的表面采用了碳纳米管结构,这些碳纳米管直径只有头发的万分之一,如果用把它放在显微镜下观察,会发现其表面有无数垂直的黑色管道,这些细小的碳管可以改变光线的反射路径。
当光线射入这些管道后,碳纳米管会先吸收绝大部分光线,剩下的光经过无数次折射后,逐渐碳纳米管转化成热量吸收,只有极少光线能反射出去。
原理看起来还挺简单的,举一个简单的例子,把一盆水快速倒在水泥地上百分百会溅起水花,如果把水泥地换成草丛,只会溅起细小的水珠。而且碳纳米管还有着超高的热导率,它吸收光线就如同海绵吸水一样。
所以梵塔黑仅能反射0.35%的光线,达到肉眼无法观察的地步,在2014年的时候登上了世界最黑的吉尼斯纪录,不过这一纪录在2019年就被麻省理工学院的团队打破。
该团队的布莱恩·沃尔德教授宣传,他们创造出比梵塔黑还要黑上10倍的材料,这种材料也是由碳纳米管制成,只是碳纳米管直径只有头发丝的五万分之一,所以只能反射0.005%的光,一举成为有史以来最黑的材料。
布莱恩教授在一开始并没有想到用碳纳米管来制作极黑材料,碳纳米管除了导热性优异还具有良好的力学性能,其密度只有钢的1/6,但是抗拉强度是钢的100倍,并且硬度和金刚石相当。
若将其他工程材料与碳纳米管制成复合材料,可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性,给复合材料的性能带来极大的改善。
俄罗斯科学家曾把碳纳米管复合材料置于1011Mpa的水压下,这相当于深海1万米的压强,复合碳纳米管被巨大的压力压扁,撤去压力后瞬间恢复原状,这种良好的韧性是做弹簧的绝佳材料。
另外,碳纳米管的电导率是铜的一万倍,布莱恩教授原计划在铝的表面生长碳纳米管,以提高它的导电性能和热学性能,但铝在空气中会形成氧化物薄膜,非常耐腐蚀。
而且氧化物一般都有绝缘的作用,会降低铝的导电率和导热性,所以得用氯离子侵蚀铝的表面,这种蚀刻技术在金属工艺中十分常见。
由于氯离子半径小、穿透能力强,故它最容易穿透氧化膜内极小的孔隙,到达铝金属表面并与其形成可溶性化合物,使氧化膜的结构发生变化,慢慢将其腐蚀掉,最后将蚀刻完成的铝放入微波炉中加热,再通过化学气相沉积来生长碳纳米管。
这种方法也叫碳氢气体热解法,气态烃在1000度高温下会分解生成碳纳米管,然后在催化剂微粒的作用下附着于铝箔上。
布莱恩教授最后发现,碳纳米管和铝箔的结合达到了预期实验目的,复合材料的导热和导电性能显著提高。但最让人吃惊的是这种材料黑到让人不敢置信,于是又进行了光学反射率测试。
测试结果表明,该材料从各个角度都可以吸收99.995%的入射光,是目前宇宙中仅次于黑洞的存在。不论其表面是凹凸不平,或者有其它形态特征,都无法被肉眼看到,眼前仅仅是一片虚无的暗黑。
布莱恩教授及其团队已经为这项技术申请了专利,但他们计划让艺术家们免费使用,来进行非商业性的艺术创作。有一位土豪把一颗价值200万美元的钻石,涂满了铝碳纳米管材料,让原本闪亮璀璨的钻石,呈现出完全相反的状态,黑到消失不见,它被命名为“虚荣的救赎”,在纽约证券交易所中展览。
宝马也曾用梵塔黑作为涂漆,专门设计了一款X6 SUV 汽车 用作展示,这台车无论在晚上还是在白天,不管你用多强的灯光去照射它,它看起来也是几乎一样黑。若不是车窗、车灯等部件尚有一些光泽,你甚至会觉得这台车是画在墙上的,因为你完全看不出它的表面棱角和线条。
这还是设计师手下留情,为它保留了1%的光反射率,才让 汽车 的轮廓能勉强被看见,以免它看起来和一张纸差不多,这也恰到好处的让这台车从外观上看起来奢华内涵,充满神秘感和尊贵感。
不过这台车没法行驶上道,因为受限于技术限制,梵塔黑作为涂料容易脱落,这要是掉漆了都没办法补漆,而且有网友调侃道,估计这车漆比车还贵,买来只能放着观赏。
那么这种超黑材料,除了带给视觉上的极致效果,到底有啥实际用途呢?
诺奖得主的天体物理学家约翰·马瑟表示,这种超黑材料可以提高光学仪器的灵敏度,它能消除航天望远镜镜头的干扰光。
比如美国正在开发的红外空间望远镜,它的主要任务是对红外天空进行宽场成像和调查,解决暗能量和红外天体物理学领域的基本问题。
但这类太空光学仪器必须摆脱不必要的眩光,因此要设计一个“遮星伞”来遮挡太空的杂光,而且还要承受火箭发射产生的高温,铝箔碳纳米管超强的吸光率和耐高温,无疑是制造遮星伞的最佳基础材料。
由于铝箔碳纳米管不能反射光线,它可以隐藏高低起伏的物体轮廓,是一种理想的伪装涂层材料,因此在军事武器领域有很大的应用空间。日本就在2020年推出一款吸光率达99.4%的黑色颜料,它可以轻松实现物品平面化、架空、磨砂、甚至是隐身。
其次它还有优异的导电性能和热传导性能,以及高效吸收光子的作用,所以铝箔碳纳米管可应用于散热系统、电力传输、以及光伏电新能源领域。
不过不管是梵塔黑还是铝箔碳纳米管,由于制备难度太大,目前无法走出实验室,更不能大规模量产投入使用。
最后总结一下,碳纳米管极致黑材料,在目前来说还存在制备难度大、生产成本高的问题,无法快速推广、应用到相关行业。但它确实有着广袤的应用前景,值得科学家去做进一步的研究。
就如同蒸汽机刚被发明的时候,它造价昂贵不说,产生的效益还赶不上人工劳作,但是瓦特改良蒸汽机后,人类 社会 迅速进入工业文明。
说不定有一天 科技 更加进步之后,人类也可以用“黑色”去改变世界。