黑色，從人的視覺角度來看，代表了夜晚的來臨，象徵著神秘、恐懼、死亡與敬畏。從宇宙觀的角度，黑也是宇宙的本質。而在時尚界，三個有著重要地位的顏色——黑、白、灰，被統稱為“時尚三原色”，而黑色的王者地位總是無可撼動的。
而今，一個與藝術緊密相關的科學突破呈現在世人眼前。麻省理工學院對外宣佈，他們創造出一種比之前報道過的任何一款黑色材料都要再黑上 10 倍的材料。這種材料是由垂直排列的碳納米管（CNTs）製成的，CNTs 是一種微小的碳絲，研究人員讓它在氯腐蝕過的鋁箔表面上生長。從而使這種鋁箔至少能吸收 99.995% 的入射光，一舉成為有史以來最黑的材料。
關於這項研究的論文發表在最新一期的 ACS Applied Materials and Interfaces雜誌上。同時，與這種最黑的材料相結合，設計而成的藝術品——“虛榮的救贖（the Redemption of Vanity）”也展覽於紐約證券交易所中。
圖 | “虛榮的救贖（the Redemption of Vanity）”展品照片（來源：MIT）
照片左側是來自 LJ West Diamonds 的 16.78 克拉重的天然黃色鑽石（估價約為 200 萬美元），圖右則是用這種迄今為止最黑的新款碳納米管基材料塗覆在鑽石表面，讓一顆雕琢精美的璀璨寶石，呈現出一種完全的、黑暗的虛空狀態。
這顆名為“虛榮的救贖”的藝術品，是由麻省理工學院藝術、科學和技術中心（MIT Center for Art，Science，and Technology Artist in Residence Diemut Strebe）與麻省理工學院教授布萊恩·沃德爾（Brian Wardle）及其實驗室合作創作的。而“最黑材料”的研究論文，則是布賴恩·沃德爾與原 MIT 博士後、現在的上海交通大學複合材料研究所副教授崔可航合著的。
發現，又源於巧合
人類歷史上的很多科學發現，都來源於“機緣巧合”。比如諾貝爾獎的創立者阿爾弗雷德·貝恩哈德·
諾貝爾（Alfred Bernhard Nobel）在硝化甘油研究領域做出的最大貢獻——發明出“達納炸藥”，就是偶然間發現的。硝化甘油製成的液體炸藥，威力極大但安全性能很差，受到衝擊極易爆炸。諾貝爾就要求硝化甘油在運輸時用罐裝運，並且在罐與罐之間填充泥土，以防搖晃。而在一次運輸途中，一個罐的偶然破裂，使硝化甘油洩漏到泥土中並被吸收。諾貝爾發現泥土吸收了硝化甘油後也相對穩定，進而深入研究，因此發明了用硅藻土吸收硝化甘油的這種既有威力又安全可控的新型炸藥，後被命名為達納炸藥。
而這項關於“最黑材料”的研究成果，其實也並非是布賴恩·沃德爾和崔可航兩位研究團隊領導者的本意。他們兩人的原計劃，本來是想去試驗在鋁等導電材料的表面上生長碳納米管的方法，以便提高材料的導電性能和熱學性能。
圖 | 布萊恩·沃德爾（Brian Wardle）在實驗室的照片（來源：MIT）
但當崔可航嘗試在鋁的表面上生長碳納米管時，他遇到了一個棘手問題，這個問題和鋁的耐腐蝕性也有關。當鋁暴露在空氣中時，其表面就會始終存在一層氧化物薄膜。而這層氧化物薄膜，起到了絕緣層的作用，阻礙了鋁材的導電和傳熱。當他想辦法去除鋁的氧化層時，發現了一種鹽或氯化鈉的溶液。
當時，沃德爾的研究團隊正嘗試使用鹽和其他廚房物品，比如小蘇打和洗滌劑等，來生長碳納米管。在他們的鹽實驗中，崔可航注意到氯離子可以侵蝕鋁的表面並溶解其氧化層。他表示：“這種蝕刻工藝對許多金屬來說都很常見。例如，輪船會受到含氯海水的腐蝕。而我們現在正利用這一過程為實驗帶來好處。”
崔可航將鋁箔浸泡在鹽水中，就可以去除氧化層。然後，他將鋁箔迅速轉移到一個無氧環境中，以防止其再次氧化，最後，將蝕刻的鋁放入“烤箱”中，在那裡，研究人員通過化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）的方法來生長碳納米管。這樣一來，研究人員就可以在鋁的表面生長出碳納米管，而且需求的條件溫度降低了約 100 ℃。
研究人員還發現，碳納米管與鋁的結合顯著提高了材料的熱學和電學性能——這也是他們的預期發現。但最令他們吃驚的，卻是這種結合材料的顏色——是那麼純粹的黑。
為什麼這麼黑？
針對此次發現，崔可航回憶到：“在碳納米管生長之前，我就有注意到它的顏色是很黑的。然而在碳納米管生長之後，它看起來甚至更黑了。所以，我便想著應該去測量一下樣品的光學反射率。”
圖 | 上海交通大學材料科學與工程學院崔可航副教授（來源：smse.sjtu.edu）
崔可航測量了該材料的反射光量，不僅是從上方直接反射的，還有從其他所有可能的角度反射的光。結果表明，該材料從各個角度至少可以吸收 99.995% 的入射光。也就是說，它比目前最黑的物質，由英國 Surrey Nanosystems 公司製造的“Vantablack（ 梵塔黑）”反射的光還要少 10 倍。
而且，不論該材料覆蓋的物體是有凸起、凹陷或是任何類型的形態特徵，無論從哪個角度看，這些特徵都是人眼所看不見的，呈現出一片完全黑暗的虛無。
該項目的另一名領導者沃德爾表示，他們的研究團隊通常不關注材料的光學特性，但這項工作是他們與麻省理工學院的藝術、科學和技術中心同時合作進行的，所以在這項發現中，藝術影響了科學。
沃德爾和崔可航已經為這項技術申請了專利，他們計劃讓所有的藝術家都可以免費使用這項新的 CNT 技術來進行非商業性質的藝術創作。
儘管目前，研究人員還不能完全確定造成這種材料不透明的機制，但他們猜測這可能與蝕刻鋁和碳納米管的結合有關。科學家們認為，密集的碳納米管陣列可以吸收大部分射入的光線並將其轉化為熱能，反射出的光很少，因此碳納米管具有特別的黑色。
沃德爾說：“不同種類的碳納米管陣列都是非常黑的，但是對於為什麼這種材料是最黑的，目前還缺乏機制上的理解。這也需要進一步的深入研究。”
即便從機制上還未讓人完全理解，這種材料已經引起了航空航天界的興趣。雖然沒有參與這項研究，但天體物理學家、諾貝爾物理學獎得主約翰·馬瑟（John Mather）正著手探索用這種最黑的材料作為寬場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）上“遮星傘（Star Shade）”裝置的基礎材料。
寬場紅外巡天望遠鏡是美國宇航局（NASA）正在開發的紅外空間望遠鏡，將用於對近紅外天空進行寬場成像和調查。其主要任務是要解決暗能量、系外行星和紅外天體物理學領域的基本問題。而遮星傘裝置是一個巨大的黑色遮蓋物，可以保護太空望遠鏡免受雜散光的影響。
“類似照相機和望遠鏡這樣的光學儀器必須要擺脫不必要的眩光，才能讓人看到你想看的東西，”馬瑟說。“你想看到地球繞著另一顆恆星運轉嗎？那麼我們就需要非常黑的東西，而且這種黑色材料必須能承受火箭發射帶來的衝擊。”
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參考：
Kehang Cui, Brian L. Wardle. Breakdown of Native Oxide Enables Multifunctional, Free-Form Carbon Nanotube–Metal Hierarchical Architectures. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019; DOI: 10.1021/acsami.9b08290
http://news.mit.edu/2019/blackest-black-material-cnt-0913
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