美国科学家研制出最黑材料 可吸收99%光线

伤我心太深

11月14日消息，近期，美国宇航局的工程师们成功研制出一种特种材料，它能实现对紫外，可见光，红外线以及远红外波段光线超过99%的吸收率。这项技术的出现有望开启太空探索的新疆界。　　美国宇航局戈达德空间飞行中心的一个工程师小组在近日举行的SPIE光学与光子学会议上做了相关报告。这是该行业内最大的跨学科技术会 议。据开发这一技术的10人戈达德工程师小组负责人约翰·哈戈皮恩(John Hagopian)表示，他们随后还对这种新型材料的吸收性能进行了额外的验证性测试，以检验其有效性。
　　他说：“反射测试显示我们开发的材料已经成功地将材料的吸收性能提升了50倍以上。之前也有团队研制出吸收性能接近完美的材料，但是他们的材料只在较窄的波段，如紫外和可见光波段有效，而我们的材料则实现了从紫外一直到远红外的全波段吸收，这是前所未有的。”
　　这种材料本质上就是多层的纳米碳管涂层，这是一种中空的纯碳元素构成的管状体，厚度要比人的头发丝直径小1万倍。它们垂直附着于不同的基底材料表面，就像地毯上的毛。工程师小组已经测试过将这些材料附着于硅，氮化硅，钛和不锈钢的表面，这些都是在太空工程中常用的材料。为了让纳米碳管得以顺利附着，戈达德飞行中心的工程师斯蒂芬妮·盖提(Stephanie Getty)在这些测试材料的表面涂上一层铁催化剂涂层。随后她将材料加热至750摄氏度，同时将其暴露于含碳物料气体环境中。
　　测试显示这种材料在诸多太空领域都有着很好的应用，尤其是当科学任务上需要进行多波段观测时便更加显示其重要性。其中一项重要应用就是杂散光抑制。附着在材料表面的纳米碳管可以收集并阻滞背景光线，从而阻止其从表面反射出去，进而对科学家们需要观测的目标光线之间发生干扰。正是由于仅有极少部分的光线能够反射出去，因此在人的肉眼，甚至灵敏的仪器看来，这种材料都是黑色的。
　　尤其是，小组发现这种材料在紫外和可见光波段的光线吸收率高达99.5%，而在波长稍长的波段以及远红外波段的吸收率也达到了98%。哈戈皮恩说：“我们的这种材料相比其他材料的优势在于其吸收率要比后者高出10~100倍，具体的性能取决于波段的不同。”
　　戈达德工程师玛努尔·奎加达(Manuel Quijada)也是论文的合著者之一，他说：“我们对于这样的结果有一点吃惊。我们知道它能吸收光线，但是我们没有料到它的吸收性能会这么好。”
　　一旦这种材料投入使用，它将极大地提升探测器和设备的性能。比如说，这项技术将让科学家们得以探测到宇宙中极其遥远，其光线甚至已经微弱到在可见光波段无法察觉的天体的信号，或者对处于高对比环境下的天体，如围绕其它恒星运行的暗弱行星进行观察。而研究地球大 气和海洋的科学家们也将从中受益。对地观测设备接收到的光信号中有90%来自大气散射反射产生的“杂光”，从而掩盖了他们想要观测的地面反光信号。
　　在目前的条件下，工程师们会使用涂黑漆，或者借助其它辅助设备来帮助减少杂光干扰。然而黑漆仅能吸收大约99%的入射光，而纳米碳管涂层产生的多层反射则能让材料的总体性能更加优越，甚至能将杂光减少100倍以上。
　　还有一点很重要的，正如戈达德工程师艾德·沃莱克(Ed Wollack)指出的那样，就是黑色涂漆在超低温下将不再是黑色。它们会显示出一种闪闪发光的银色调。沃莱克负责对这种材料的超低温性能进行测试，目的是检验其是否适合用在超高灵敏度的远红外探测设备上，这种设备工作于超低温环境下，用于接收从极遥远宇宙深处发出的微弱的远红外信号。如果这些设备不够“冷却”，设备和望远镜本身的热量产生的红外辐射将干扰和削弱设备的灵敏度。
　　戈达德工程师吉姆·塔特尔(Jim Tuttle)说，黑色材料在飞船设备方面还有一项重要的应用，尤其是对于红外探测设备而言更是这样。材料越“黑”，它便能辐射出去更多的热量。换句话说，超黑色材料，如纳米碳管涂层可以被用于需要去除设备温度的环境下，它能帮助将热量散发进入外太空。这将帮助确保设备的冷却，从而保证对暗弱深空天体信号的敏锐捕捉。
　　为了防止黑色涂漆在较长波段上出现吸收性能不理想的情况，工程师们会使用环氧树脂配合导电金属材料，以此制作一种黑色镀膜。这种材料尽管效果尚可，却会增加航天器的重量，这让技术人员们很困扰。而一旦有了这种新的纳米碳管涂层材料，它密度更小，但是性能优越，没有任何添加剂，可以高效吸收各波段光线并进行有效散热。沃莱克说：“这将是一种非常有前景的材料。它非常有效，重量很轻，并且呈现极度黑色。长远来看，它比黑色涂漆的性能要更好。”