داستان جالب کشف تصادفی سیاهترین ماده جهان، وانتابلک

مهندسان دانشگاه MIT سیاهترین ماده سیاه جهان (وانتابلک) را از نانولوله های کربنی (CNT) ایجاد کرده اند که طبق گفته آنها، 10 برابر از هر ماده سیاه ایجاد شده تاکنون، سیاهتر و تاریک تر است. وانتابلک که به عنوان سیاهترین ماده جهان شناخته می شود، ازقرارگیری عمودی نانولوله‌های کربنی (CNT) روی فویل آلومینیوم ساخته شده است و می تواند 99.995 درصد از نور مرئی را جذب کند. وانتابلک ویژگی های منحصر به فردی دارد که منجر به کاربردهای گوناگون این ماده در زمینه های مختلف شده است.
برایان وارد، استاد هوانوردی و فضانوردی در MIT می گوید: ماده ای که ما ساخته ایم 10 برابر سیاهتر از هر ماده ای است که تاکنون ساخته شده است. این سیاهترین ماده جهان، وانتابلک (Vantablack) نام دارد که توسط SurreyNanoSystems ساخته شده است و قادر است تا حدود 99.96 درصد از نور مرئی را جذب کند. 
تیمی از محققان MIT در حالی این ماده را ایجاد کردند که در حال آزمایش روشهای رشد نانولوله های کربنی (CNT) روی بستر آلومینیوم با هدف بهبود هدایت الکتیکی نانولوله های کربنی بودند و هرگز فکرش را هم نمی کردند که در حال برپایی انقلابی در تولید ماده سیاه هستند.
در روشهای قبلی ساخت نانو لوله های کربنی، هنگامیکه بستر آلومینیوم در معرض هوا قرار میگیرد، لایه ای از اکسید آلومینیوم تشکیل می گردد که این لایه اکسید شده، خاصیت انتقال حرارت و الکتریسیته نانولوله های کربنی (CNT) را به شدت کاهش می دهد. دانشمندان برای از بین بردن این لایه، فویل آلومینیوم را در آب نمکی مبتنی بر کلر خیس کردند. در مرحله بعد، بستر آلومینیومی اصلاح شده را به یک محیط بدون اکسیژن منتقل کردند و سپس در یک کوره قرار دادند تا نانولوله های کربنی (CNT) با روش رسوب بخار شیمیایی رشد کند. به این ترتیب بود که سیاهترین ماده سیاه به طور تصادفی ایجاد شد.
همانطور که انتظار می رفت، این فرایند خصوصیات حرارتی و الکتریکی نانولوله‌های کربنی (CNT) را بهبود بخشید. اما رنگ ماده تولید شده، محققان را شگفت زده کرد. یکی از محققان تعریف می کند که: پس از اتمام فرایند رشد متوجه شدم مقدار سیاهی که روی بستر به چشم میخورد (بعد از رشد CNT روی بستر)؛ خیلی خیلی تاریک تر از قبل به نظر می رسد. پس فکر کردم باید بازتاب نوری نمونه را اندازه بگیرم."
سپس، این ماده را از هر زاویه ممکن آزمایش کردم و کشف کردم که 99.995 درصد از نور ورودی را جذب می کند.
اما هیچکدام نمیتوانستیم درک کنیم چرا این ماده اینقدر سیاه است ؟؟؟ بنابراین نمونه را با میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی کردیم و مشخص شد که خوشه های ریز و درشتی از نانولوله های کربنی داریم (CNT) که مانند جنگلی از نانولوله های کربنی (CNT) هستند و  نور را به دام می اندازند. بنابراین هر گونه زاویه یا برآمدگی نامرئی می شود و مواد به صورت کاملا سیاه به نظر می رسند.
یکی از محققان می گوید: جنگل های نانولوله های کربنی (CNT)  که از روشهای  مختلف تشکیل می شوند، همگی بسیار سیاه هستند، اما درک مکانیکی کاملی وجود ندارد که توضیح دهد، چرا این ماده، سیاه ترین ماده دنیا است. بنابراین برای فهم کامل به مطالعات بیشتری نیاز است. 
این سیاهترین ماده سیاه جدید، تا کنون علاقه مندان زیادی در صنعت هوافضا داشته است. سازه هایی مانند دوربین ها و تلسکوپ های مورد استفاده برای مطالعه کیهان از پوشش های سیاه استفاده می کنند که می توانند هرگونه تابش خیره کننده ناخواسته را جذب کنند. "جان ماتر اخترفیزیک دان و برنده جایزه نوبل می گوید: آیا می خواهید زمین را در حال چرخش به دور یک ستاره به وضوح رصد کنید؟ شما به ماده ای بسیار سیاه و تاریک احتیاج دارید. 
از نظر ظاهری نانولوله های کربنی (CNT)  که قبلا ساخته شده اند، شبیه به جنگل های شکننده ای از خز بودند، اما نحوه قرار گیری نانولوله های کربنی (CNT) در وانتابک بیشتر به فرچه شبیه است.  به این صورت که نانولوله های کربنی (CNT) در وانتابک، منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند و از نظر قطر و طول هم بسیار یکدست و یکنواخت هستند. وانتابلک با رشد عمودی و شبکه ای از نانولوله های کربنی (CNT)  و به روش رسوب شیمیایی تشکیل می شود. نانولوله های کربنی (CNT)  تشکیل شده حدودا 20 نانومتر قطر و بین 14 تا 50 میکرون طول دارند و به این ترتیب جنگلی از نانولوله های کربنی (CNT)  تشکیل می گردد. از آنجاییکه نانولوله های کربنی (CNT)  ساخته شده با این روش، بسیار کوچک هستند و همچنین بسیار متراکم و نزدیک به هم رشد می کنند، میلیونها از آنها در مساحت کوچکی قرار می گیرند و این مهمترین عامل برای ایجاد خواص نوری منحصر به فرد وانتابلک می باشد. در تصویر زیر، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، نحوه قرارگیری نانولوله های کربنی در ساختار وانتابلک نشان داده شده است.

 

 

 

وانتابلک چه ویژگیهایی دارد؟
 
1-    بازتاب بسیار کم - عملکرد استثنایی از همه زوایا
وانتابلک در طیف وسیعی از طول موج ها، از طول موج نا مرئی گرفته (طول موج 200-350 نانومتر) ، تا طیف مرئی (350-700 نانومتر) ودور تر تا طیف مادون قرمز (> 600 میکرون)، بازتاب ناچیزی دارد.
 
2-    فوق العاده آبگریز
چون وانتابلک از نانو لوله های کربنی تشکیل شده است، فوق العاده آبگریز است و برخلاف سایر پوشش های سیاه، رطوبت باعث کاهش یا تغییر خواص نوری نمی شود. 

 

3-    مقاومت زیاد در برابر شوک حرارتی بالا 
قراردادن یک بستر روکش شده با وانتابلک (Vantablack S-VIS) در نیتروژن مایع با دمای منفی 196 درجه سانتیگراد و سپس انتقال آن به یک صفحه داغ 200 درجه سانتیگراد در هوا هیچ تاثیری در خواص آن ندارد.

 

4-    مقاومت در برابر شوک و لرزش
پوشش های مستقل که مورد آزمایش قرار گرفته اند در معرض شوک و لرزش شبیه سازی و سپس اجرا شده اند. در همه موارد حتی در زاوایای کم عمق، سطح پوشیده شده با وانتابلک نسبت به سایر پوشش های تجاری سیاه رنگ دیگر بسیار مقاوم تر است.

 

اما آیا این آخرین پیشرفت در رقابت برای ایجاد سیاه ترین ماده سیاه دنیا خواهد بود؟ خب، شاید نه. بالاخره، روزی خواهد آمد که کسی ماده سیاهتری پیدا خواهد کرد و یا خواص غیر نوری والتابلک را بهبود خواهد بخشید و در نهایت روزی خواهد آمد که انسان تمام سازوکارهای اساسی را درک می کند و قادر خواهیم بود به درستی مهندسی نهایی ماده سیاه را انجام دهیم.
در مقاله بعدی به بخشی از کاربردهای اختصاصی وانتابلک خواهیم پرداخت.