Juodoji medžiaga • Anastasija Stebalina • Mokslinis "Elementų" dienos paveikslas • Medžiagų mokslas

Juodiausia medžiaga

Šis tamsiai tamsus šešiakampis yra "Vantablack" medžiagos, kuri iki šiol buvo juodiausia dirbtinė medžiaga, pavyzdys. Vantablack sugeria 99% šviesos bangos ilgiu nuo 2,5 μm iki 15 μm, o matomoje – 99,965% (juodosios anglies absorbuoja apie 96% šviesos). Griežtai tariant, juodą spalvą, kurią mes matome šioje nuotraukoje, netgi negali būti vadinama spalva, o jos visiškas nebuvimas.

Iš pradžių "Vantablack" buvo sukurtas kosmoso poreikiams. Medžiaga yra gerai išbandyta stiprumo požiūriu: smūgiai ir vibracijos, panašūs į tuos, kurie atsiranda, pavyzdžiui, paleidžiant erdvėlaivius, neturi įtakos medžiagos struktūrai. Dar labiau stebina tai, kad menkas slėgis sugeba sulaužyti šią struktūrą: jei jūs tiesiog paliesite Vantablack paviršių pirštu, anglies vamzdžiai bus "pradėti", o medžiaga praras daug savo savybių. Nepaisant to, šios medžiagos naudojimo sąrašas nuolat auga: jis padeda pagerinti teleskopus (pavyzdžiui, absorbuodami jų vamzdeliuose išsklaidytą šviesą) ir kitus optinius bei infraraudonųjų spindulių prietaisus, saulės elektrines, jis naudojamas kino ir dizaino.

Medžiaga turi ir kitas nuostabias savybes, iš kurių viena aiškiai matoma šiandieninėje dienos nuotraukoje: ji gali "valgyti" erdvinį matmenį. Nuotraukoje šešiakampis atrodo lygus. Tiesą sakant, "Vantablack" yra pasodinta aliuminio folija su pažeidimais ir raukšlėmis. Vaizdo įraše yra aiškiai matoma:

Kaip visa tai veikia? Iš pavadinimo (VANTA – vertikaliai suderintos NanoTube matricos) matyti, kad medžiagą sudaro vertikaliai orientuoti anglies nanovamzdeliai. Kai šviesa patenka ant Vantablack paviršiaus, tai beveik neatspindi jos, nes nanovamzdelių storis (apie 20 nm) yra daug mažesnis nei optinio diapazono (pradedant nuo 380 nm) bangos ilgis. Didžioji dalis šviesos patenka tarp medžiagos viduje esančių nanovamzdelių, kur fotonai, pakartotinai atsispindintys nuo sienų, prarandami nanovamzdelių "miške" ir galiausiai įsisavinami. Šiuo atveju šviesos energija niekur neišnyksta – ji tinka šilumos medžiagai. Todėl "Vantablack" turėtų šildyti gana greitai ir stipriai. Bet čia atsiranda dar viena vertinga šios medžiagos savybė: griežtai supakuoti vertikalūs nanovamzdeliai puikiai skleidžia šilumą išilgai jos ilgio.

Vantablack medžiaga po mikroskopu: anglies nanovamzdelių (15-50 mikronų aukščio) "miškas" ant aliuminio substrato. Nuotraukos iš 2020science.org

Tokia medžiaga savaime negali egzistuoti. Gamybos technologija apima anglies junginių nusodinimą ant kieto substrato. Būtų patogu naudoti aliuminio substratus, tačiau iš pradžių anglies nanovamzdeliai buvo padengti aukštoje temperatūroje (apie 750 ° C), viršijant aliuminio lydymosi temperatūrą (660 ° C). Dėl to silicis turėjo būti naudojamas substratui. Tačiau silicis yra pernelyg trapus kosminėms misijoms, todėl buvo nuspręsta tobulinti Vantablack'o kūrimo technologijas, kad nanovamzdelius būtų galima auginti lengvesniu ir ilgesniu aliuminiu.

Tam mokslininkams reikėjo keletą trivialių techninių sprendimų. Substrato mėginiai buvo pagaminti iš aliuminio lydinio 6061-T6, po to chemiškai išgryninti, jie buvo padengti elektroakustiniu nusodinimu, kuris pagerina VANTA plėvelės sukibimą su pagrindu. Be to, buvo deponuotas katalizatorius, skirtas absorbuoti infraraudonosios spinduliuotės energiją iš spinduliuotės šaltinio ir užtikrinti patikimą anglies nanovamzdelių sukibimą su pagrindu. Po katalizatoriaus nusodinimo, mėginiai buvo apdoroti aktyvacijos stadijoje redukcinėje atmosferoje esant 450 ° C temperatūrai.Tada mėginiai buvo perkelti į reaktorių fototerminiu plazmos ir cheminiu nusodinimu iš dujų fazės. Šis procesas užtikrina greitą katalizuojamo bandinio paviršiaus šilumą žemyn, išlaikant daugiausia substrato esant daug žemesnei temperatūrai aušinant jį pagrindine plokštele. Anglies nanovamzdelių augimas inicijuotas sumažintame slėgyje naudojant acetileną kaip anglies šaltinį mišriose nešiklio dujose, esant 425 ° C temperatūrai.

Dėl šios technologijos tapo įmanoma įterpti anglies nanovamzdelių iš kitų medžiagų: kobalto, vario, molibdeno, safyro, titano, kvarco ir nerūdijančio plieno. Neseniai buvo sukurta "Vantablack S-VIS" danga, kuri gali būti naudojama įvairiems paviršiams kaip (beveik) įprastu purškimu.

Nuotraukos iš surreynanosystems.com.

Anastasija Stebalina


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: