美科学家研制超黑材料 可吸收99%光线
时间:2017-12-08

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  该显微照片显示了一种新型材料表面的小片(直径约0.7mm),其中区域被有意地去除以显示碳纳米管涂层材料的垂直排列。

  这是一个高度放大的图像,采取电子显微镜,可以清楚地看到这个垂直的碳纳米管结构。

  最近,美国宇航局的工程师成功开发了一种特殊材料,在紫外线,可见光,红外线和远红外线波长范围内吸收99%以上的光线。这项技术的出现有望开启太空探索的新天地。

  美国宇航局戈达德太空飞行中心的一个工程师团队在最近的SPIE光学和光子学会议上做了一个相关的报告,这是业内最大的跨学科技术会议,戈达德工程小组负责人John Hagopian先生该技术称,他们随后对新材料的吸收性能进行了额外的验证性测试,以测试其有效性。

  他说:反射测试表明,我们开发的材料已经成功地将材料的吸收性提高了50倍以上,以前有团队发展了近乎完美的吸收性能,但是他们的材料只在较窄的波段如紫外和可见光波段,我们的材料实现了从紫外到远红外的全波段吸收。

  这种材料基本上是一个多层碳纳米管涂层,一个中空纯碳的管状体,约为人发的厚度的一万倍。它们垂直于不同基材的表面,如地毯毛。工程师团队已经测试将这些材料连接到硅,氮化硅,钛和不锈钢的表面,所有这些都是空间工程中常用的。戈达德飞行中心的工程师斯蒂芬妮·盖蒂(Stephanie Getty)在这些测试材料表面涂上一层铁催化剂涂层,以便连接碳纳米管。然后,她将材料加热到750摄氏度,同时将其暴露于碳质材料气体环境中。

  测试表明,这种材料在空间的许多领域得到了很好的使用,特别是当科学任务需要多波段观测时。杂散光抑制是最重要的应用之一。附着在材料表面的碳纳米管收集和阻挡背景光,防止其反射离开表面,干扰科学家需要观察的目标光线,正是因为只有很小一部分光线可以反映出来,所以人眼,甚至敏感的设备似乎都是这种材料是黑色的。

  研究小组特别发现,这种材料在紫外线和可见光波段吸收多达99.5%的光,而在稍长波长和远红外线波长波段吸收多达98%。 Jopopin说:我们的材料优于其他材料的优点是它们的吸收率比后者高10到100倍。具体表现取决于乐队。

  博士论文的合着者戈达德工程师奎尼达(Manuel Quijada)说:我们对结果有点惊讶。我们知道它吸收光线,但我们并没有期望吸收太好。

  一旦这种材料投入使用,将大大提高探测器和设备的性能。例如,这项技术将使科学家们能够探测到宇宙的偏远地区,即使在可见光范围内的未观测天体,或者在高对比度环境中的天体,例如其他恒星黑暗行星周围的天体,光线也是微弱的。研究地球大气和海洋的科学家也将受益,地球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散光,从而模糊了他们想观测到的地面反射信号。

  在目前的情况下,工程师涂黑,或使用其他辅助设备,以帮助减少杂散光干扰。然而,黑色涂料只吸收约99%的入射光,而碳纳米管涂层产生的多层反射给予材料更好的整体性能,甚至可以减少100多倍的杂散光。

  同样值得注意的是,正如戈达德工程师埃德·沃拉克(Ed Wollack)指出的那样,在极低的温度下,黑色涂料将不再是黑色的。它们显示出闪闪发光的银色。 Wolaike负责对这种材料的超低温性能进行测试,目的是测试其是否适用于超灵敏的红外远距离探测设备,这种设备在超低温环境下工作,可以从远距离接收宇宙微弱的远红外信号。如果这些设备不够冷,则由设备的热量和望远镜本身产生的红外辐射将干扰并损害设备的灵敏度。

  戈达德工程师吉姆·塔特尔(Jim Tuttle)说,黑色材料在航天器设备中有着另一个重要的应用,尤其是红外探测设备。材料越黑,辐射的热量越多。换句话说,在需要去除设备温度的环境中,可以使用碳纳米管等超黑色材料,有助于向外部空间散热。这将有助于确保设备的冷却,从而确保黑暗和深空天体的信号的锐利捕捉。

  为了防止黑色油漆在较长的波长下不易吸收,工程师使用带有导电金属的环氧树脂来形成黑色涂层。虽然这种材料的效果不错,但是会增加航天器的重量,这是技术人员所困扰的。一旦这种新型碳纳米管涂层材料可用,其密度更低,性能更优越,无需任何添加剂,可有效吸收所有波段的光线并有效地散热。沃拉克说:这将是一个非常有前途的材料。它非常有效,重量轻,而且非常黑暗,从长远来看,它比黑色漆更好。

  美国生理学家网络报告(英文)

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