| НОВОСТИ НАУКИ |
Самое черное изобретение
Народные поговорки сравнивают черный цвет с сажей, углем, смолой, вoроном, ночью и во многих странах связывают его с печалью, неудачей, болезнью, смертью. Вслед за американским физиком-теоретиком, сотрудником А.Эйнштейна (1879–1955), Дж.Уилером (1911–2008) астрономы с 1968 г. пользуются неприятным термином «черная дыра», обозначающим области с настолько сильным гравитационным полем, что даже свет не может их покинуть. И все же в некоторых разделах науки к черному цвету относятся с особым почтением. Длительное время идет поиск самых черных веществ. К чему привел этот поиск? Что же это за вещества?
В физике есть понятие абсолютно черного тела, т.е. такого твердого вещества, которое поглощает любое падающее на его поверхность излучение. Это понятие абстрактно, введено в 1859 г. известным немецким физиком, иностранным членом Петербургской академии наук Г.Р.Кирхгофом (1824–1887) и применяется в теории теплового излучения. Кирхгоф открыл закон излучения, который сегодня известен как закон его имени. Гораздо позднее (1900) еще один знаменитый немец М.Планк (1858–1947) вывел закон излучения, устанавливающий распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Правда, таких тел не существует. В справочниках можно найти лишь значения степени черноты того или иного вещества, показателей преломления и коэффициентов отражения света. Эти значения необходимы для тепловых расчетов.
В то же время очень черные материалы нужны и в технике, и в быту. Взять, например, солнечные нагреватели: чем меньше их поверхность отражает лучей, тем выше эффективность работы. Еще один пример – солнечные батареи, где идет борьба за каждую долю процента эффективности, за повышение КПД преобразования световой энергии в электрическую. Светодиоды с подавленным отражением могут светить ярче. Наверняка многим известно и понятие «технология стэлс», которая связана не только с формой объектов, но и с покрытием, эффективно поглощающим излучение радаров. Телескопы со светопоглощающим покрытием смогут улавливать более слабые звезды, чем сегодня, а приборы на метеорологических спутниках станут более точными. Наконец, нужны стандарты (шкала) для калибровки и измерения степени черноты (или серого цвета) для фотографов, художников и издателей репродукций.
Наиболее популярные черные вещества – графит, сажа и черные красители – в воздушной среде имеют коэффициент отражения света 5–10%, т.е. с точки зрения и науки, и практики их вовсе нельзя считать действительно черными. Самые-самые черные вещества созданы в лабораториях. В Книге рекордов Гиннесса в 2004 г. появилось сообщение, что самым черным веществом является фосфид никеля Ni3P, у которого при нормальном направлении пучка света к поверхности коэффициент отражения составляет всего 0,16–0,18%. Этот состав отвечает лишь одному из шести известных фосфидов никеля, такой фосфид известен давно, довольно хорошо изучен, выпускается в промышленных масштабах и применяется как катализатор некоторых органических реакций. Его обнаружили и в метеоритах.
Когда были проверены оптические свойства фосфида никеля (2003), полученные значения вызвали сенсацию. Но и это вещество все же далеко не идеальный поглотитель: если угол падения лучей близок к 60о, его поверхность отражает 4–5% света.
Работа над созданием новых черных материалов продолжалась. В марте 2007 г. было объявлено о создании, по словам некоторых журналистов, «кусочка настоящего мрака» – покрытия, имеющего показатель преломления 1,05 и отражающего на воздухе всего 0,1% падающего света.
Ключом к созданию такого материала послужили основные законы прохождения света через материалы, преломления, отражения и дифракции световых лучей на поверхностях.
Почему важно значение показателя преломления? Еще в 1821 г. один из основоположников волновой оптики французский физик О.Ж.Френель (1788–1827) показал, что чем ближе показатели преломления двух материалов, тем меньше света будет отражаться от их границы. Показатель преломления воздуха равен 1,00 (свет не преломляется), поэтому отличие от него всего в 5% и приводит к резкому снижению доли отраженного света.
Добиться такого показателя помогли наноматериалы: специалистами Ренсселеровского политехнического института (Нью-Йорк, США) во главе с Е.Ф.Шубертом был создан композит, состоящий из пятислойной пористой пленки бесцветных диоксида кремния SiO2 и диоксида титана TiO2 на тонкой пленке бесцветного нитрида алюминия AlN. Каждый слой пленки толщиной примерно 100 нм содержал наностержни диоксидов, причем наностержни были расположены под углом около 45о к поверхности пленки; для обеспечения постепенного изменения показателя преломления угол наклона стержней в каждом слое слегка отличался. На микроснимке слой сбоку выглядит как слегка приглаженная газонная трава с расширяющимися кверху листьями.
Математические основы покрытия с переменным показателем преломления были выведены в 1880 г. известным физиком, одним из основоположников теории колебаний, иностранным членом Петербургской академии наук лордом Дж.У.Рэлеем (1842–1919). Рэлей наблюдал прохождение света через воздушную атмосферу Земли и обосновал возможность создания материала с переменным показателем преломления и хорошей противоотражательной способностью. В те времена, правда, еще не увлекались наноматериалами и не было взможности синтезировать такой материал.
Начиная с 1991 г. благодаря электронно-микроскопическим исследованиям С.Идзимы специалисты стали все большее внимание обращать на углеродные нанотрубки, которые были обнаружены еще в конце XIX в., исследовались в середине XX в., но считались либо курьезом, либо вредным образованием, отравляющим промышленные металлические катализаторы. В 1997 г. теоретическими расчетами было показано, что материал с очень низким показателем преломления и сильным поглощением света может быть получен при определенной укладке нанотрубок на подложке. Экспериментального подтверждения пришлось ждать еще десятилетие.
Лишь в сентябре 2007 г. в редакцию журнала Nano Letters (название которого можно передать как «Письма по нанонауке») поступила и в февральском номере 2008 г. опубликована статья сотрудников того же Ренсселеровского политехнического института о создании необычного материала. Группу ученых возглавлял П.М.Аджаян, имеющий индийское происхождение. В Книге рекордов Гиннесса уже названо его имя как создателя самой маленькой щетки из углеродных нанотрубок на металлической микропроволочке.
Об углеродных нанотрубках в нашей газете уже рассказывалось (см.: Химия, ИД «Первое сентября», 2000, № 19, № 23; 2001, № 9, № 18; 2003, № 22; 2006, № 12), однако с каждым годом они удивляют все больше. Упомянутая группа ученых сумела вырастить «лес» нанотрубок с большими расстояниями между отдельными «деревьями» – почти точно отвечающими теоретическим расчетам для наиболее черного тела. Плотность нанотрубок составляла всего 0,01–0,02 г/см3, а диаметр отдельных нанотрубок находился в пределах от 8 до 11 нм. Кроме того, поверхность «леса» загрубили, сделали неровной, кончики нанотрубок «подрезали» на разной высоте. Такая геометрия не только слабо отражает лучи света, но еще и сильно поглощает их, поэтому коэффициент отражения здесь составил всего 0,045%! Очень-очень темно в этом «лесу».
Чего ждать дальше? Одни специалисты трудятся над черными телами, другие – над такими, которые делают предметы невидимыми. Ученые работают над материалами для преобразующей оптики, которой свойственно обтекание предметов световыми лучами. Свет словно обходит предмет из этих материалов, как вода обтекает вокруг камня. В результате сам предмет становится почти невидимым, а то, что за ним, – вполне просматривается. Человек в такой оболочке тоже не увидит ничего из окружающей его обстановки. Пока созданные для этого устройства тяжелы и громоздки, но исследования продолжаются.