Ученые из США и Китая создали материал с рекордно малым коэффициентом отражения среди материалов с широким спектром поглощения. Он состоит из алюминиевой подложки с множеством углублений, на которой располагается массив вертикальных углеродных нанотрубок, поглощающих излучение и превращающих его в тепло. Измерения показали, что коэффициент отражения нового материала составляет от 10-5, что на порядок ниже, чем у ближайшего аналога, рассказывают авторы статьи в ACS Applied Materials & Interfaces.

Существуют материалы, способные поглощать практически весь падающий на них свет. Они имеют множество применений как в науке, так и вне ее. Например, их предлагают применять в гравитационных интерферометрах, таких как LIGO и Virgo, в которых рассеянный свет может привнести шум в сигнал на детекторе. Кроме того, эти материалы используют в искусстве, к примеру, для создания инсталляций или черных автомобилей.

Самый известный из таких материалов — это Vantablack, разработанный в 2014 году британскими материаловедами. Его название происходит от аббревиатуры VANTA, которой принято обозначать вертикально-ориентированные массивы нанотрубок. Они представляют собой множество углеродных нанотрубок, размещенных на подложке, обычно с помощью метода химического осаждения из газовой фазы.

Кэхан Цуй (Kehang Cui) из Массачусетского технологического института (MIT) и Шанхайского университета Джао Тонг и его коллега Брайан Уордл (Brian Wardle) из MIT разработали метод поверхностной активации алюминиевых подложек, позволивший получить рекордно черный материал.

Схема подготовки материала к выращиванию нанотрубок
Схема подготовки материала к выращиванию нанотрубок

Сначала с алюминия необходимо удалить оксидную пленку, образующуюся на нем при контакте с воздухом. Для этого алюминиевую фольгу помещали в сосуд с 10-процентным раствором хлорида натрия и подвергали воздействию ультразвука. Благодаря этому с поверхности алюминия удалялся оксид и на ней образовывалась пористая структура с множеством хаотично расположенных углублений. После этого фольгу промывали в воде и этаноле, а затем наносили на нее слой ацетатов железа и кобальта.

Эти соли выступают в качестве катализаторов для следующего этапа, на котором на поверхности алюминия выращивали массивы нанотрубок. Алюминий помещали в камеру с аргоном, ацетиленом и углекислым газом. Благодаря нагреванию до температур от 400 до 600 градусов Цельсия на поверхности металла происходила реакция окислительного дегидрирования, при которой атомы углерода из газа образовывали нанотрубки.

Сравнение коэффициентов отражения нового материала и аналогов
Сравнение коэффициентов отражения нового материала и аналогов

После получения материала ученые измерили его оптические свойства. Оказалось, что в диапазоне от терагерцевого до ультрафиолетового материал имеет коэффициент отражения на уровне от 10-4 до 10-5. Это примерно на порядок меньше, чем тот же параметр у предыдущего рекордно черного материала, разработанного в 2010 году учеными из Национального института стандартов и технологий США (NIST). Кроме того, они показали, что этот параметр практически не зависит от угла падения света.

Существуют и неуглеродные материалы с крайне высоким коэффициентом поглощения. Например, в 2015 году саудовские ученые создали такой материал на основе золота. Он состоит из множества золотых наночастиц необычной формы, которые выступают в качестве массива волноводов, не дающих попавший на них свет покинуть этот массив.