黑这种颜色及其材料一直是人类的永恒追求。在寒冷的冬季,黑色衣物能够吸收太阳光的热量,让人更多地感受太阳的温暖。很早人们就使用石墨或者炭黑作为黑色颜料了。在中国传统制墨工艺中,松枝不完全燃烧产生的炭黑以气溶胶形式升腾而附着到倒扣的碗中,所收集到的多孔炭黑气溶胶对可见光具有较强的吸收,呈现黝黑的色泽,所制得的墨锭细腻浓黑,用于书法绘画,手感效果俱佳。虽然当时没有气溶胶、光吸收的概念,却也无意中符合科学的道理。1878年,天文学家Langley将从煤气灯烟尘制得的炭黑涂敷到金属铂条的表面,利用炭黑吸收太阳辐射引起下方的金属条升温导致其电阻值的变化,从而实现辐射热的测量。这样的设计足以探测到0.00001摄氏度的温差,最终带来了红外分子吸收谱线以及氢元素红外Fraunhofer线的发现,随后在气候和天文观测领域发挥重要的作用。1889年,L.Mond和C.Langer以铂黑为电催化剂制作燃料电池,因为这种蓬松多孔的铂黑具有较高的比表面积和催化活性,此后也用于氢电极及很多催化电极的活性表面。

但是说到黑,那你知道黑色到底是一种什么样的颜色吗?其实我们能看到物质以及物质的颜色,本质上是光源照到物质的表面,一部分波长的光被吸收,剩余反射到人眼被接收的特定波长的光所呈现出来的颜色。而理想中的黑色是指光几乎全部被吸收,没有光进入人眼,实际上是一种看不到的颜色。当然,一般的黑色并没有那么黑,多少有一点残余的光进入人眼。真要说“黑”,还得看“超黑”。这是一种有趣的现象或材料,几乎99%以上的光都被吸收,我们看到的其实是它的背景色所衬托出来的“黑洞”。

实际上,自然界中有不少物种具有这种有趣的“超黑”。雄性天堂凤蝶(Papilio ulysses)的翅膀呈现亮丽的蓝色(图1),其周边的黑色部分越黑,衬托蓝色部分越艳丽,在求偶竞争中也就越有优势。科学家发现,蝴蝶翅膀鳞片中有许多直径不超过1微米的小凹坑(图1),这种微细结构能够最大限度地利用介质光折射率的不同吸收不同波长的光,从而形成比一般的黑色还要黑的超黑。新几内亚岛上有一种华美极乐鸟(图1),它的羽毛呈现深不见底的、迷人的黑色,它可以吸收99.95%的光线。研究人员发现它们的羽轴上分叉出纤细的羽枝,羽枝上又分叉出更加纤细的羽小枝,这些羽小枝卷曲有刺,所形成的大规模微米阵列结构使得进来的光线不断被吸收而无法逸出。在华美极乐鸟极具魔性的求偶舞步中,身上超黑的羽毛衬托相邻的彩色部分格外靓丽醒目,以此获得雌鸟的青睐。最近发现的一种深海梦角鮟鱇属的鱼,其反射的光线量在0.044%-0.051%之间,这种微弱的反射能力使得它比超黑蝴蝶和华美极乐鸟还要黑。

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图1 雄性天堂凤蝶[1]及其翅膀微观结构[2],华美极乐鸟[3]及其羽毛微观结构[4]。

人们模拟天堂凤蝶或者华美极乐鸟的翅膀制备超黑材料。一般而言,这种材料具有极好的多孔纳米结构,孔中有孔、坑中有坑,即使是不同波长的入射可见光进入后,也会陷入多次折射和反射,最终几乎全部被吸收,呈现超黑色外观。由于超黑材料对可见光具有极高的吸收率、在色彩颜料、光学仪器、军事航天等领域具有较有较高的应用价值和广阔的市场前景。镍磷超黑是一种有趣的材料,采用无电沉积法制备的超黑镍磷合金膜吸收光的比率达到99.7%,比山兰凤蝶吸收光的效率要高很多,用于制造精密光学仪器,其反射率比目前光学仪器上所用的黑漆还要低10倍到20倍。

英国Surrey Nano Systems公司生产出一种几乎“看不见”的超黑材料,被命名为Vantablack(图2),它是在铝箔片上生长比头发细10000倍的碳纳米管阵列所形成的,光线进入细小而致密的碳纳米管阵列,几乎无法逸出,仅仅反射0.035%的光,肉眼根本无法分辨。当凝视这个材料时,看起来就像是一个黑洞或者是一片深渊。这种超黑材料可用于伪装军队车辆或隐身军用飞机,能够阻止杂散光进入望远镜或天文照相机等光学器材,让红外扫描系统运行得更加有效,增强其发现、拍摄暗星等宇宙最古老物质的能力。显然,这种材料在光学仪器、军事航空、天文观测等许多领域具有重要的用途。没有最黑,只有更黑。麻省理工学院和上海交通大学的联合研究意外发现了一种更加超黑的材料,从铝箔上生长的TiO2纳米管阵列密密麻麻,在表面像一大片绒毛覆盖其上、彼此纠缠,从各个角度入射进来的光子完全迷失了方向,最终99.995%的光线被吸收,几乎接近黑洞100%的吸收,比Vantablack的超黑材料还要黑上10倍之多。

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图2 英国Surrey Nano Systems公司生产的超黑材料[5],在铝箔基底上生长TiO2纳米管形成超黑表面[6]。

中国是世界上最大的太阳能利用国,也是最大的太阳能面板生产国,模仿自然或生物制备超黑材料有助于提高太阳能电板的光吸收和光转化效率,推动太阳能的广泛应用。吸收的太阳能可以用于直接发电、光解水制氢储能甚至污染物降解。同济大学在铜泡沫上生长Cu(OH)2纳米线和Cu-MOF纳米晶须,制备了一种类松针纳米结构的铜基超黑材料,在太阳光波段的吸收率达到99%,通过太阳能高效光热转换来加热和蒸发海水,从而实现海水淡化并获得饮用水。

在新材料领域,除了超黑,还有超硬、超轻、超亲水、超疏水、超强酸、超强碱、超导体、超高压、超音速,无一不是剑走极端,直指人心!这些具有极端性能的超级新材料正在极大地推动人类社会的进步与文明的发展。