2021-12-02
当一切光线都归零时，我们便得到了黑色。理论上的纯黑色会吸收 100% 的入射光，将光全部转换成热。就像最白的白色能通过反射光来给房间降温那样，完美的黑色涂料也有不少用途。最著名的可能就是哈勃空间望远镜了，NASA 为了避免杂光射到镜片上干扰观测，就给镜筒涂上了他们能找到的最黑的涂料。
梵塔黑
既然黑色涂料有用，科学家就没有理由不去寻找更黑的涂料。其中最有名的可能就是 Vantablack（音译为梵塔黑）。
2014 年，Ben Jensen 公开了他发明的超黑色涂料，在 663 纳米的波长上，这种材料能吸收 99.965% 的光。Ben Jensen 随后将这一材料商业化，并将它命名为 Vantablack，其名称来源于其特殊的结构“垂直排列碳纳米管阵列”（ Vertically Aligned NanoTube Arrays，Vanta）。
传统的黑色材料最多只能吸收 90% 的光线，而这种结构能让入射光在微观结构间来回反射，最终被完全吸收 —— 就像一整块金属可以反射光（想想古代的青铜镜），而金属在磨成粉之后却是黑色的。极端的黑色，本质上都是用材料的微观结构实现的。
为了实现 Vantablack 的微观结构，Ben Jensen 用化学气相沉积法（CVD）制造这种材料。不清楚是否是因为这个原因，商业化后，这种涂料的价格仍然十分昂贵 —— 贵到根本没有卖给私人的计划。
当涂料黑到能吸收 99.965% 的入射光时，它就能带来很多意想不到的视觉效果。当人们把 Vantablack 涂到雕塑上，雕塑上的任何结构结构、起伏都将消失，只留下了一个轮廓。英国雕塑家 Anish Kapoor 甚至因此直接买断了 Vantablack 的艺术使用权。
但王权没有永恒，Vantablack 也不会永远霸占“最黑”的宝座。2019 年，麻省理工学院的科学家就宣称，他们制造了比 Vantablack 还黑 10 倍的材料 —— 意味着这种材料能吸收 99.995% 的入射光。
原本的光吸收器是不完美的，每次反射都会有一些光漏出来。图片来源：Science 377, 995–998 (2022)
上个月，奥地利维也纳工业大学和以色列耶路撒冷希伯来大学的科学家修复了这个漏洞，并将相关论文发表到了《科学》杂志上。他们设计的结构和原先的光吸收器基本相同，只是在其中加入了一组透镜结构。这组透镜结构能让入射光线沿着特定的路径返回，在抵达光线射入的那面镜子上时，它会和刚开始的反射光线重合，并产生相消干涉，抵消所有反射光。
新的光吸收器能通过干涉抵消反射光，从而吸收更多光线。图片来源：Science 377, 995–9（2022）
这样，就没有光线能射出去了，所有光线都会在来回反射中被吸收介质所吸收。研究人员表示，就算吸收介质原本只能吸收 15% 的入射光，这种结构最终也能让它吸收至少 94% 的光，在某些方向上，甚至能吸收 98% 的光。
虽然和黑色涂料 99.995% 的吸收率还是没法相提并论，但这种光吸收结构的使用价值则要高很多。光传感器、光学计算都需要提升特定结构的光吸收率，尽可能把微弱的光信号转换电信号等信息。
在这场比谁更黑的竞赛中，天文学家是不败的赢家。不管两种技术路线的目的是什么，他们都可以享受技术进步带来的好处，他们可以用黑色涂料消除不必要的散射光，避免杂光干扰；也能用光吸收结构让光传感器吸收尽可能多的光，实现更好的观测效果。
毕竟，这个地球上可能没人比天文学家更渴求黑夜了。
参考链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8103
https://physics.aps.org/articles/v3/61
https://physics.aps.org/articles/v15/131
https://news.mit.edu/2019/blackest-black-material-cnt-0913
https://en.wikipedia.org/wiki/Vantablack
https://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.105.053901
本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue），撰文：王昱，审校：栗子
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