太空行走专利
我们知道除了黑洞,地球上的一切都会反射光,只是强度不同,但只要有光,我们基本上就能用肉眼看到。这堵墙是不是像一个可以吞光的黑洞?
黑洞是宇宙中引力非常强的天体。它能吞噬包括光在内的一切物质。因为既不发光也不反光,所以黑洞周围都是黑暗,所以叫黑洞。
黑洞是恒星演化的最后阶段,其形成条件非常苛刻。即使是太阳也太小了,不可能演化成黑洞。在生命的末期,它首先会变成一颗红巨星,红巨星会吞噬包括地球在内的大部分星球,然后在引力的作用下开始向内坍缩。因为质量小,引力小,只能沦为白矮星。
太阳的寿命至少有几十亿年。或许人类在那个时候早就灭绝了,又或许科技已经先进到可以让地球脱离太阳系,所以不用担心世界末日。
虽然地球上不可能有黑洞,但是科学家可以开发新材料,光吸收效果可以无限接近黑洞。韩国现代展览馆的黑色墙壁上还涂有一层吸光材料,这种材料是由英国萨里纳米系统公司开发的。
英文名缩写为Vantablack,翻译过来就是VantaBlack,意思是垂直排列的碳纳米管阵列。
梵黑在出现之初就号称是地球上最黑的物质,是宇宙中最接近黑洞存在的物质。如果用来做衣服,穿的人可能会被当成怪物。因为只能看到头部和四肢,身体漆黑一片,空荡荡的,连身体的轮廓都看不到。
夏天穿黑色衣服站在太阳下会明显感觉比较热,穿白色衣服会凉快很多,因为物体越黑,它的吸光能力就越强。
光其实就是高速运动的光子,它们的速度达到每秒30万公里。一旦撞到物体,必然会与粒子发生碰撞和反射,只有部分光子会转化为热量被吸收,除非黑色物体在黑暗的地方不容易被发现。
Vantage Black也能反射光线,但它的表面是由碳纳米管构成的,碳纳米管的直径只有头发的十分之一。如果在显微镜下观察,你会发现它的表面有无数垂直的黑色管道,这些微小的碳纳米管可以改变光的反射路径。
当光线进入这些管道时,碳纳米管会先吸收大部分光线,剩余的光线经过无数次折射后会被碳纳米管逐渐转化为吸热,只有一点点光线可以被反射。
原理似乎很简单。举个简单的例子,把一壶水快速倒在水泥地上,会100%飞溅。如果把水泥地面换成草,只有微小的水滴会飞溅出来。而且碳纳米管还具有超高的导热性,就像海绵吸水一样吸收光线。
所以梵黑只能反射0.35%的光线,肉眼无法观察到。2014年,它作为世界上最黑暗的一种达到了吉尼斯纪录,但是这个纪录被麻省理工学院的团队在2019年打破了。
该团队的Brian Wald教授公开表示,他们创造了一种比梵蒂冈黑还要黑65,438+00倍的材料。这种材料也是由碳纳米管制成,但碳纳米管的直径只有人类头发的五十分之一,因此只能反射0.005%的光线,是史上最黑的材料。
布莱恩教授一开始并没有想到用碳纳米管来制造极黑的材料。碳纳米管不仅具有优异的导热性,还具有良好的机械性能。其密度仅为钢的1/6,但抗拉强度是钢的100倍,硬度与金刚石相当。
如果将其他工程材料和碳纳米管制成复合材料,可以表现出良好的强度、弹性和抗疲劳性能,这将大大提高复合材料的性能。
俄罗斯科学家曾将碳纳米管复合材料置于1011Mpa的水压下,相当于深海1万米的压力。复合碳纳米管被巨大的压力压碎,并在压力移除后立即恢复。这种良好的韧性是制作弹簧的绝佳材料。
此外,碳纳米管的导电性是铜的1万倍。布莱恩教授原本打算在铝的表面生长碳纳米管,以提高其导电性和热性能,但铝在空气中会形成氧化膜,非常耐腐蚀。
而且氧化物一般都有绝缘的作用,会降低铝的导电性和导热性,所以不得不用氯离子来侵蚀铝的表面。这种蚀刻技术在金属工艺中很常见。
氯离子由于半径小,渗透能力强,很容易穿透氧化膜中的微小孔隙,到达铝金属表面并与之形成可溶性化合物,改变氧化膜的结构,使其慢慢被侵蚀。最后,在微波炉中加热蚀刻后的铝,然后通过化学气相沉积法生长碳纳米管。
这种方法也被称为碳氢化合物气体的热解。气态烃在1000的高温下会分解生成碳纳米管,碳纳米管在催化剂颗粒的作用下附着在铝箔上。
Brian教授最终发现,碳纳米管和铝箔的结合达到了预期的实验目的,复合材料的导热性和导电性都得到了显著的提高。但最令人惊讶的是,这种材料黑得让人不敢相信,于是进行了光学反射率测试。
测试结果表明,该材料可以吸收99.995%来自各个角度的入射光,这在目前的宇宙中仅次于黑洞。无论它的表面是凹凸不平的还是有其他形态特征的,都是肉眼看不到的,只是一片虚无的黑暗。
布莱恩教授和他的团队已经为这项技术申请了专利,但他们计划让艺术家免费用于非商业艺术创作。一个土豪用铝碳纳米管把一颗价值200万美元的钻石覆盖起来,让原本闪亮的钻石显得完全相反,于是就黑了,消失了。它被命名为“虚荣的救赎”,并在纽约证券交易所展出。
宝马也曾以梵高黑为涂料,专门设计了一款X6 SUV进行展示。无论在晚上还是白天,无论你用多强的光去照射它,它看起来几乎都是黑色的。如果车窗、车灯等部位没有光泽,你甚至会以为这辆车是画在墙上的,因为你根本看不到它的表面边缘和线条。
这是设计师的慈悲,为它预留了1%的光反射率,让车的轮廓几乎看不到,免得看起来像一张纸,正好让车看起来豪华又充满了神秘和尊贵。
但是,这款车不能上路行驶,因为受技术限制。梵高黑作为一种颜料,很容易脱落。如果掉了,就没办法补漆了。而且有网友调侃说,估计这车的油漆比车的贵,买了才能看。
那么这种超黑材质除了带来极致的视觉效果之外还有什么实际用途呢?
获得诺贝尔奖的天体物理学家约翰·马瑟(John Mather)表示,这种超黑材料可以提高光学仪器的灵敏度,它可以消除太空望远镜镜头发出的干涉光。
比如美国正在研制的红外空间望远镜,其主要任务是对红外天空进行宽视场成像和调查,解决暗能量和红外天体物理等领域的基础问题。
但这种空间光学仪器必须去掉不必要的眩光,所以需要设计“遮星伞”来遮挡太空中的杂散光,还要承受火箭发射产生的高温。铝箔碳纳米管由于超强的吸光性和耐高温性,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光,可以隐藏物体的起伏,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。2020年,日本推出了一种吸光率高达99.4%的黑色颜料,可以轻松实现平面化、架空、蒙砂甚至隐形。
其次,它还具有优异的导电性和导热性,以及高效吸收光子的功能,因此铝箔碳纳米管可以应用于散热系统、电力传输、光伏新能源领域。
但无论是华帝黑还是铝箔碳纳米管,目前都太难走出实验室,更别说投入量产了。
最后,综上所述,目前碳纳米管极黑材料仍然存在制备困难、生产成本高的问题,无法快速推广应用到相关行业。但它确实有广阔的应用前景,值得科学家进一步研究。
就像蒸汽机刚发明的时候,价格贵,效益赶不上手工劳动。然而,瓦特改进蒸汽机后,人类社会迅速进入工业文明。
也许有一天,技术更先进后,人类可以用“黑”改变世界。