色彩难题：科学家寻找最黑的黑色

有黑色，还有超黑色：一种比黑色更黑的颜色，可以吸收高达 99.9% 的光线。一些蛇和深海鱼类进化出了这种超黑色鳞片，以在黑暗环境中伪装它们的运动，而孔雀蜘蛛和某些天堂鸟则将这种颜色与更鲜艳的色彩结合起来，用于引人注目的求偶仪式。

斯坦福大学生物光子学博士后研究员 Dakota McCoy 表示，这些生物适应——例如一些天堂鸟如何利用它们的光吸收羽毛将称为光子的粒子转化为热能——可以为新技术提供灵感。“工程师非常聪明，他们制造了很棒的设备，但大自然有一些很酷的技巧，”McCoy 说。“我们可以看看这些鸟和这些蜘蛛，并从中获得灵感，用于制造坚固、耐候且能很好地吸收光线的材料。例如，[孔雀]蜘蛛正在被研究用于制造新的太阳能电池板涂料。”

事实上，十多年来，科学家们一直在寻找自己更优越的超黑材料版本——但不是为了求偶仪式。能够吸收超过 99.9% 光线的材料可以提高太阳能技术中的热量吸收，或用于军事应用，如热伪装。它们也已用于太空，防止杂散光进入望远镜并改进专注于地球辐射预算的红外传感器。但是这些材料到底能有多黑呢？

金标准

自史前时代以来，人类就一直在使用炭黑，这是一种传统上通过烧制象牙、骨头或葡萄藤和茎制成的颜料。艺术家伦勃朗和约翰内斯·维米尔等人都在许多著名画作中使用了炭黑。美国天文学家塞缪尔·兰利在 19 世纪 70 年代使用煤气灯的烟灰制作了第一个辐射计（一种通过测量变黑金属条的温度升高来测量太阳辐射的仪器）。

金属黑，源自金、银和镍，出现得更晚，至今仍被科学家使用。“[金黑]蓬松，缺乏更复杂的说法，”约翰·莱曼说，他是美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的物理学家，他从 80 年代开始用金黑制作探测器。“这是你在氮气环境中加热金，它非常类似于雪落在人行道上，如果你能掌握好条件。”

当雪落在温暖的人行道上时，它会变成湿漉漉的一团。但当雪落在寒冷的人行道上时，它会更容易堆积——形成一种蓬松的结构，类似于天堂鸟的超黑羽毛。光子在金属黑的微观结构中以类似的方式来回碰撞，最终被吸收。

生长碳纳米管森林

大约在 2004 年，莱曼开始研究金属黑的新替代品：碳纳米管，即碳原子或石墨的圆柱体。这些管子直径最多为 100 纳米，比人类头发细 1000 多倍。“如果一根纳米管是一根电话杆，那它将是一根直径一英尺、长三英里长的电话杆，”莱曼说。要制造它们，科学家们会在无氧炉中用铁等金属烹饪石墨。当石墨加热时，它会沉入金属提供的环状模板中，然后向上构建。

碳纳米管是迄今为止发现的最坚固、最硬的材料之一，但这并不是莱曼和其他研究人员在寻找最黑的黑色时转向它们唯一的原因。它们也可以通过光刻生长，这意味着研究人员可以将它们放置在需要的地方，并在它们达到所需高度时停止生长。“过去，金黑——开个玩笑——有点像黑魔法，”莱曼说。“很难做到，要获得‘人行道’温度和所有这些东西。所以我们真的觉得这更像是一门科学而不是一门艺术。”

当以适当间距排列的“森林”形式排列时，碳纳米管会变得更黑。莱曼和他在 NIST 的同事们生长低密度森林，每平方厘米约有十亿根纳米管。这听起来可能很多，但事实并非如此。这些管子相对于光子的尺寸非常细——大约 400 到 700 纳米，刚好足够细以捕获光子，而不是让它们立即弹开。

让军备竞赛开始

在过去的几年里，各种公司和机构已经开发出他们自己版本的超黑材料，使用了碳纳米管。每种材料的效率取决于最终的高度、密度和纳米管森林的分布。根据其网站的说法，英国公司 Surrey NanoSystems 创造的Vantablack®“持有经独立验证的人造最黑物质世界纪录”。这层超黑材料也是大多数人比较熟悉的，这要归功于一场因艺术家对颜料的访问权而引发的全面战争。莱曼说，Surrey 的材料版本更像是一个纳米管的地图，而不是森林。“他们设法使这种涂料密度非常低，并去除粘合剂，使其看起来更像棉花糖。”

2019 年，麻省理工学院发布了一个更近的版本。在这种情况下，研究人员从一个已经有些粗糙的金属模板开始。当纳米管生长时，它们的高度不均匀——增加了额外的粗糙度维度。这种超黑材料在纽约证券交易所的一个艺术展览上展出，题为“虚荣的救赎”，其中包括一颗价值 200 万美元的天然黄钻，它被碳纳米管覆盖，直到在人类眼中看起来像一个二维的虚空。

莱曼说，这场军备竞赛看不到尽头：“我职业生涯开始时制作黑色涂料，我们已经做了 15 年以上了。我认为，如何让东西变得更黑与实际应用之间将持续权衡。”他表示，尽管有各种说法，但哪种材料才是真正最黑的黑色仍然存在争议。但有一点是清楚的：每种材料都能吸收大量的光线（超过 99.9%），并且不仅限于可见光。

到红外线……及更远

碳纳米管可以吸收可见光范围以外的波长，包括红外线和远红外线。这使得它们在各种传感器和探测器中都很有用——尤其是在太空中。

2018 年，科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室 (LASP) 发射了一颗名为紧凑型光谱辐照度监测器的卫星，用于测量太阳的亮度。它采用了由碳纳米管制成的光学吸收器，与之前的型号相比，它具有更高的灵敏度和更宽的波长范围。LASP 即将与 NASA 合作开展一项耗资近 1.3 亿美元的任务，名为Libera，用于逐日记录进入和离开我们行星大气层的能量。这对了解地球气候如何随时间演变至关重要。

“花费了数百万美元，但归根结底，这只是望远镜底部的一个微小探测器，上面覆盖着碳纳米管，告诉我们温度是多少，”莱曼说。“这是我非常兴奋的一件事。”