美科学家研制最黑材料可吸收99%光线

这张显微图像显示了这种新材料的表面层的一小块(直径约为0.7毫米)，有意去除的区域显示了碳纳米管涂层材料的垂直排列。

这是一个高度放大的图像，用电子显微镜可以更清楚地看到垂直的碳纳米管结构。

最近，美国国家航空航天局的工程师已经成功开发出一种特殊材料，它能吸收99%以上的紫外线、可见光、红外线和远红外波长。这项技术的出现有望打开*太空探索的新领域。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的一组工程师最近在SPIE光学和光子学会议上做了一份报告。这是业界最大的跨学科技术会议。开发这项技术的10人戈达德工程师团队的负责人约翰·哈戈皮恩说，他们还对新材料的吸收能力进行了额外的验证测试，以验证其有效性。

他说:“反射测试表明，我们开发的材料已经成功地将材料的吸收性能提高了50多倍。一些团队以前已经开发出吸收性能近乎完美的材料，但他们的材料只能在窄波段有效，如紫外和可见光波段，而我们的材料可以实现从紫外到远红外的全波段吸收，这是前所未有的。”

这种材料基本上是多层碳纳米管涂层，它是由纯碳元素制成的中空管状体，其厚度比人发丝的直径小10，000倍。它们垂直附着在不同基材的表面，就像地毯上的羊毛一样。工程师团队已经测试了将这些材料附着到硅、氮化硅、钛和不锈钢的表面，这些材料通常用于空间工程。为了让碳纳米管能够顺利附着，戈达德飞行中心的工程师斯蒂芬妮·盖蒂在这些测试材料的表面涂上了一层铁催化剂涂层。然后，她将材料加热到750摄氏度，同时将其暴露在含有碳材料的气体环境中。

测试表明，这种材料在许多空间领域有很好的应用，特别是在科学任务需要多波段观测时。一个重要的应用是杂散光抑制。附着在材料表面的碳纳米管可以收集并阻挡背景光，从而阻止它从表面反射出去，从而干扰科学家需要观察的目标光。正是因为只有很小一部分光可以被反射掉，所以在人类的眼里，即使是敏感的仪器，这种材料也是黑色的。

特别是，该小组发现这种材料在紫外和可见光波段的吸收率高达99.5%，而在稍长的波段和远红外波段的吸收率为98%。哈高平说:“我们的材料比其他材料的优势是它的吸收率比其他材料高10~100倍。具体性能取决于不同的波段。”

戈达德工程师曼纽尔·奎贾达也是该论文的合著者之一，他说:“我们对这个结果有点惊讶。我们知道它能吸收光，但我们没想到它能吸收得这么好。”

一旦这种材料投入使用，将大大提高探测器和设备的性能。例如，这项技术将使科学家能够探测到来自宇宙中非常遥远的天体的信号，这些天体的光线非常微弱，在可见光下无法被探测到，或者在高对比度的环境中观察天体，例如围绕其他恒星运行的微弱行星。研究地球大气层和海洋的科学家也将从中受益。地球观测设备接收到的90%的光信号来自大气散射反射产生的“杂散光”,从而掩盖了它们想要观测的地面反射信号。

在当前条件下，工程师将使用黑色油漆或其他辅助设备来帮助减少杂散光干扰。然而，黑色涂料只能吸收约99%的入射光，而碳纳米管涂层产生的多层反射可以使材料的整体性能更优越，甚至将杂散光减少100倍以上。

正如戈达德工程师埃德·沃尔克指出的，另一个要点是黑色涂料在超低温下不再是黑色的。它们将呈现闪亮的银色调。沃尔克负责测试这种材料的超低温性能，以检查它是否适合用于超高灵敏度的远红外探测设备，该设备工作在超低温环境中，用于接收从宇宙深处发出的微弱远红外信号。如果设备没有被充分“冷却”，由设备和望远镜本身的热量产生的红外辐射会干扰和削弱设备的灵敏度。

戈达德工程师吉姆·塔特尔说，黑色材料在航天器设备中还有另一个重要的应用，特别是红外探测设备。材料越暗，辐射的热量越多。换句话说，超黑材料，如碳纳米管涂层，可用于需要去除设备温度的环境，这有助于将热量散发到外层空间。这将有助于确保设备的冷却，从而确保对黑暗和微弱的深空天体信号的清晰捕捉。

为了防止黑色涂料在较长波段的吸收性能不令人满意，工程师将使用环氧树脂和导电金属材料制作黑色涂层。尽管这种材料很有效，但它会增加航天器的重量，这让技术人员感到困惑。然而，一旦有了新的碳纳米管涂层材料，其密度更小，但是其性能更优越，不需要任何添加剂，并且它可以有效地吸收各种波段的光并有效地散热。沃尔克说:“这将是一种非常有前途的材料。它非常有效，很轻，而且非常黑。从长远来看，它比黑色油漆要好。”