超级黑PK超级白：纳米材料如何欺骗你的眼睛

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在《你是我的眼》中，盲人歌手萧煌奇深情地唱出“你眼前的黑不是黑，你说的白是什么白”，生动地描绘了视觉残障人士对光明世界的渴望。然而，对于能够看到身边周遭万物的普通人来说，一些色彩依旧会骗过人类的视觉，甚至光线。更神奇的是，这些色彩还有其他神奇的功效，能够对人类的生活起到意想不到的作用，而造就这种奇迹的，是日新月异的纳米技术。

黑得如同现实缺了一块

下面这张图，在面具旁边有一块黑色的“漏洞”。然而，这并不是拙劣的抠图，那块“黑洞”其实是在同样的面具上，覆盖了一种黑色涂料。
黑色涂料覆盖了面具，如同抠图| www.Surreynanosystems.com
这种涂料叫做“Vantablack”，它能吸收99.96%的光线。当被Vantablack覆盖住后，面具上几乎没有光线被反射过来。如果你正面直视它，就会失去空间的纵深感，如同凝视深渊。
两个面具的侧面 | www.Surreynanosystems.com
“Vanta”是“垂直排列碳纳米管阵列”（Vertically-aligned nanotube array）的缩写 。这个名字也明示了它的本质：这种涂层其实是紧密排列成束状的碳纳米管。
1991年，日本学者饭岛澄男发现了“碳纳米管”。这种高导电、高强度的线状材料，立刻引起了学界和企业界的兴趣。
但是，碳纳米管在实际使用时却面临很多问题，其中最不好解决的就是它们总是相互缠绕在一起，就好像耳机线一样。这种纠缠在一起的碳纳米管，会极大减少能被有效利用的面积，同时其本身的导电性等指标也会受到影响。
于是，学者们就想出了一种解决方案：让这些碳纳米管垂直生长起来，也就是形成碳纳米管阵列，如同在平地上种树一样。而这种“碳纳米管小森林”，有序度高、缠绕少，能够充分发挥碳纳米管的优异性能，在电子元器件中有很大的应用潜力。
一种长在硅片上的碳纳米管阵列，如同小树林一样地笔直生长[2]
再回到Vantablack的颜色上。它能达到如此的吸光能力，也是因为碳纳米管阵列的特殊结构。
当光线入射到碳纳米管阵列后，光会在纳米管组成的森林中不断偏折，不断反弹，并最终被吸收，也就几乎不会反射出去。
简单来说，之所以Vantablack如此之黑，是因为光在碳纳米管中“迷了路”。
自2014年面世后，Vantablack一度作为“最黑的人造物”，入选了吉尼斯世界纪录。然而，这个纪录在随后不断被打破。
目前公开报道中，“最黑的材料”来自美国麻省理工学院（MIT）。2019年，MIT的研究团队研发了一种吸光能力高达99.995%的材料[3]。
研究者的这次突破也实属偶然。这项研究原本目标是提高导电材料性能，但当他们不断在涂层中塞入垂直碳纳米管后，却阴差阳错得到了这么一种“比黑更黑”的物质。
不过，目前这种材料还没有具体的名字，工艺也没那么成熟。所以，在“黑”的领域，Vantablack还是最为人称道。
理论上，这些“黑材料”的用处很多，最容易想到的，就是可以给光学仪器或者天文望远镜来做遮光罩。不过，即使是工艺成熟的Vantablack，它的制备要求也十分苛刻。同时，作为涂层的话，碳纳米管阵列也很容易脱落或者褪色，需要精心保护。
虽然暂时在商业上没法大范围推广，但架不住很多先锋者们前来尝鲜。比如，宝马公司涂装了他们的一辆车；也有瑞士手表厂商，用这个材料做了全黑的表盘。
按网友的评价：这些物件涂上了Vantablack后，就好像游戏中“未解锁”的道具。
Vantablack涂装的一辆宝马车 | Surreynanosystems.com
显然，艺术家们也不会放过这种极致的颜色。2016年，英国艺术家安尼什·卡普尔（Anish Kapoor）买下了用Vantablack进行艺术创作的独家权利。这事当时还引起了巨大争议，大家议论的焦点是：艺术家能垄断一种颜色吗？
但准确来讲，卡普尔并没有垄断这种黑色。因为Vantablack只是一种材料，卡普尔只是得到了这种材料的独家使用权，就如同一家公司占有一个专利一样。只不过，恰巧只有这种材料能实现这种极致的黑色。
有消息称，卡普尔的第一件Vantablack作品，将在2021年问世，这值得期待。

能降温的极致白

既然有了极致的黑。那大家肯定忍不住要问，有没有办法能产生某种极致的白呢？
有。而且，自然界中早就有了这样的设计。
在撒哈拉沙漠中，就有一种银白色的蚂蚁，叫做“撒哈拉银蚁”（Cataglyphis bombycina）。
越是极端的环境，越容易出现极端的生物。这种蚂蚁可以忍受当地高达70°C的温度，并能在沙漠中来去自如。有人形容“它们就像是流动的水银”。
为了加强散热，这些蚂蚁就演化出了银白色的外表。
通过高倍显微镜观察会发现，这种银白色来源于覆盖在蚂蚁表皮的很多纤细的“毛”。这些“细毛”的横截面是一种三角形的结构，可以有效地反射来自不同入射角度的光。反射掉光线，也就意味着能给蚂蚁降低不少的温度。研究者发现，这层“银白色”能让蚂蚁的体温降低5~10℃，堪称“随身空调”。
A：撒哈拉银蚁照片，B-E：撒哈拉银蚁表面覆盖的“毛”及其微观结构[4]
当然，蚂蚁的这种白还不算极致。2020年，美国普渡大学的研究团队报道了一种超白的涂料，可以反射95.5％以上的光。与之相比，目前商用白色涂料反光的能力只有80％到90％。
这种超白涂料的做法并不难，就是用亚克力和碳酸钙混合。不过，实验中用到的碳酸钙很有讲究，它们的颗粒尺寸范围很广，从几百纳米到几微米都有，这个颗粒分布是经过计算优化的，是为了尽可能散射太阳光谱中所有波长的光。
A：超白涂层（左）与商用涂层的对比，B：碳酸钙微粒的微观结构[5]
同撒哈拉银蚁一样，研究者开发这种涂料也是想用来降温的。只不过，他们的计划是在房屋的外表涂这种超白涂层。
左图为用新型涂料在普通白色涂料上写下了一个“P”，右图是红外温度分布，显示出“P”的温度要更低，因为新型涂料能反射更多的热量[5]
经过测算，在阳光照射下，这种超白涂层最多能比周围温度低10℃。如果给建筑表面涂上的话，在夏天即使没有空调，室内也可以很凉快 。
不过，在建筑外面的人会不会遭殃呢？

结构中的五彩斑斓

这世界不能只有纯黑和纯白，通过对微观结构的精准把控，能带来更多色彩。
在我们的印象里，巧克力往往是棕色或者黑色的。但在2019年，苏黎世联邦理工学院的学者们却做出了一块“彩虹巧克力”。

彩色巧克力。也许，这就是所谓的“五彩斑斓的黑” | www.Ethz.ch

根据报道，这个创意的起源，来自于一次闲聊。当时，有三个教授在大学的走廊里喝咖啡闲聊，他们中有一位食品科学家、一位材料科学家和一位研究光学的物理学家。
聊着聊着，话题就转到了巧克力，这几位最后抛出了一个问题：能不能做出彩色的巧克力呢？
当科学家们有了奇怪念头的时候，没人的行动力能超过他们。
这几位说干就干，开始尝试各种方法来给巧克力上色，不过最终效果都不太好。经过不断试错，他们最终决定，放弃色素或染料，而是在巧克力表面上压印特殊结构，来产生“结构色”。
所谓的“结构色”，是指不使用化学颜料，而是利用光在微观结构上的散射、干涉或衍射等作用，来产生颜色。
这个概念听起来有些抽象，但结构色在日常生活中随处可见。比如，蝴蝶翅膀艳丽的色彩，就是因为在翅膀表面覆盖着纳米级的鳞片。再比如，吹起的肥皂泡上五彩斑斓，也是因为光在它的泡泡薄膜结构上发生了干涉现象。
蝴蝶翅膀颜色来自于其表面的纳米结构，下图为电子显微镜中所观察到的蝴蝶翅膀纳米结构[6]
借鉴了“结构色”的原理，研究者们开发了一种模具，能在巧克力表面印上特殊的“纳米花纹”，从而就做出了这种彩虹的效果。
不过，这些“花纹”具体长什么样子，还没有被揭秘。因为，研究者们打算成立一家公司，把这项工艺推广到更多食物上。
那么，问题来了，你愿意尝尝盖着一层彩虹的面包、糖果和饼干吗？

参考文献

[1] "Safety Data Sheet Vantablack S-VIS and S-IR" . Surrey NanoSystems. 27 February 2018. Retrieved 16 September 2019.
[2] Lee, J. , Kessler, S. S. , & Wardle, B. L. . (2020). Void‐free layered polymeric architectures via capillary‐action of nanoporous films. Advanced Materials Interfaces, 7(4), 1901427.
[3] Cui, K. , & Wardle, B. L. . (2019). Breakdown of native oxide enables multifunctional, free-form carbon nanotube–metal hierarchical architectures. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(38), 35212–35220
[4] Shi, N. N. , Tsai, C. C. , Camino, F. , Bernard, G. D. , Yu, N. , & Wehner, R. . (2015). Keeping cool: enhanced optical reflection and radiative heat dissipation in saharan silver ants. ence, 349(6245), 298-301.
[5] Xiangyu Li, Joseph Peoples, Zhifeng Huang, Zixuan Zhao, Jun Qiu, Xiulin Ruan, Full Daytime Sub-ambient Radiative Cooling in Commercial-like Paints with High Figure of Merit, Cell Reports Physical Science, Volume 1, Issue 10, 2020,100221.
[6] Potyrailo, R. A. , Bonam, R. K. , Hartley, J. G. , Starkey, T. A. , Vukusic, P. , & Vasudev, M. , et al. (2015). Towards outperforming conventional sensor arrays with fabricated individual photonic vapour sensors inspired by morpho butterflies. Nature Communications.
作者：圆的方块
文章来源：中国物理学会期刊网

IEEE Spectrum

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