Science advance——吸光超过 99.98% 的至尊暗黑材料
发布者：刘德桃发布时间：2023-05-01浏览次数：10
——世界上最黑的板材，其秘密是类似漆的成分和把光锁住的微观构造●可见光反射率比传统材料低一个数量级，激光笔发出的光也会消失。●腰果油黑色树脂表面形成细微的凹凸结构，实现暗黑。●为视觉表现提供前所未有的高对比度，即使在明亮的地方也会展现压倒性的黑色国立研究开发法人产业技术综合研究所（以下简称“産総研”）物理测量标准研究部门应用光测量研究小组的组长雨宫邦招、主任研究员清水雄平、光放射标准研究小组的组长蔀洋司以及国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构（以下简称“量研”）量子束科学部门的主干技术员越川博和研究企划部长八巻徹也共同研发出了一种“至高的暗黑膜”，可以在类似漆的成分——腰果油黑色树脂表面形成微细凹凸以将光线封闭，吸收可见光的99.98%以上。这项技术是将离子束照射和化学蚀刻用于微小圆锥状凹凸（光线封闭结构）的原盘制备和转移，以扩展至多种材料。在本次研究中，成功开发了一种新型的暗黑膜，其光吸收率大幅提高。特别是，腰果油黑色树脂具有特殊的优点，内部的散射反射（浑浊）特别少，通过光线封闭结构抑制材料表面的镜面反射（闪烁），实现了深邃黑色，即使使用激光笔也可以看到它的消失。与传统的暗黑膜相比，可见光半球反射率降至0.02%以下，是世界上最黑的材料之一，并具有耐久性。这种“至高的暗黑膜”可以在明亮的环境下实现深邃的黑色，并防止背景的映射，因此可以提供前所未有的高对比度的视觉效果。https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade4853#tab-contributors低反射的黑色材料在装饰、映像、太阳能利用、光传感器等光学应用领域得到广泛应用。特别是在相机和光谱分析仪器内部防止散射反射和消除干扰等方面，理想情况下需要完全无反射的黑体材料。人眼对黑色其实很敏感，当比较半球反射率（以下称为“反射率”）为0.2%以上和0.1%以下的黑色时，人眼可以轻易地区分出它们。如果存在反射率大幅低于0.1%的黑体材料，它在许多情况下都有很高的应用价值，例如防止令人不舒服的闪光（耀斑）和提高影像的清晰度等。近10年来，越来越多近似于黑体的材料被开发出来。但是，目前为止，能够达到大幅低于0.1%反射率的材料仍然很脆弱，无法在普通环境中广泛应用。産総研开发高光吸收率材料方面，致力于开发能在一般环境中使用且具有耐久性的材料，以实现吸收所有光的材料。其结果，产业技术研究院和量子科学技术研究机构在2019年通过离子束照射和化学蚀刻在微小的圆锥形凹凸上形成光闭合结构，成功开发了能在紫外线至可见光至红外线范围内吸收99.5％以上光线的“终极黑暗片”。此次，他们将该技术应用扩大，以开发能吸收可见光99.9％以上的“至高黑暗片”“暗黒板”实现光吸收是基于所谓的空腔黑体原理。如图1所示，将圆锥孔状的空腔黑体微型化作为光闭合结构，铺设在平面上即为暗黑薄膜。进入光闭合结构的光线会在壁面上多次吸收和反射，使净反射率趋近于零。该原理很简单，但为了使净反射率远低于0.1％，必须急剧增加光闭合结构的梯度、使其边缘锐利、壁面在纳米级上实现光滑。这样的结构传统微细加工技术难以制作，但我们利用了从环形加速器发射出的高能离子束解决了这个问题。对CR-39树脂基板进行离子束照射，通过化学腐蚀，可以将产生的损伤痕迹扩大形成非常精巧的圆锥孔，可以铺设在基板表面上（如图1右侧①～②）。
图1.暗片的光限制结构减少反射和吸光的原理（左），至尊暗片的制作方法（右）使用这种方法，将制作的微细凹凸作为母板（模具），将光闭合结构转移至黑色树脂表面。由于可以反复从母板进行转移，因此可以量产。传统的“黑暗材料”是将碳黑颜料混合硅橡胶并将光闭合结构转移至其表面的材料，在紫外线〜可见光〜红外线的全范围内，实现了99.5％以上的吸收率（反射率低于0.5％）并特别在热红外线（波长8μm〜15μm）方面实现了世界上最高的99.9％以上的吸收率。暗黑片材可在一般环境中使用，而且性能不会受到触摸的影响，因此在2019年的新闻发布会后受到了广泛的反响。然而，在可见范围内，尤其是黑体材料需求量最大的范围内，暗黑片材的反射率仍保持在0.3％至0.5％左右。图2. 暗片（光捕获结构）中色素颗粒的存在与否与散射光产生的关系。此次，研究者发现了限制黑暗片材反射率降低的原因是碳黑颜料引起的散射。碳黑颗粒形成比可见光波长或更大的聚集体，容易产生光的散射，因此，从光闭合结构中逃逸出一部分散射光（图2）。因此，寻找不使用碳黑颜料的低散射黑色基材，研究者们着眼于腰果油树脂。构成腰果油树脂的多酚类与漆的成分相似，通过与铁和络合物的反应，聚合物本身就变黑了，无需添加颜料。因此，我们发现腰果油黑色树脂膜的散射反射（浑浊）量极少。说到“漆黑”，通常是指镜面抛光的光泽黑色，但同时也可以指低浑浊的“深黑色”。本次研究还开发了通过硅橡胶制造的模具（图1右③～④）来扩大光闭合结构的转移对象的技术（图1右⑤～⑥）。因此，应用于腰果油黑色树脂后，可以抑制镜面反射（闪光）和散射反射（混浊），将可见光反射率降至一位数以下的0.02％以下（光吸收率超过99.98％，见图3），与传统的“究极暗黑片”相比。这种“最高的暗黑片”的黑色是如此深，以至于激光笔的光线都消失了（GIF图1）。迄今为止，被认为是世界上最黑的材料，碳纳米管的定向体已被证明可以吸收99.9％以上的光（只反射0.1％），但因其脆弱而在接触时性能会受到损害。近期的生物仿生黑色材料技术，如受鸟类和蝴蝶等生物启发的研究，例如仿制蝴蝶眼表面微小凹凸的莫斯爱结构以及其他纳米光学技术也被广泛应用，但都未达到低于0.1％的反射率。商用黑色涂料、多孔起绒黑色布等也同样如此。新开发的“至高的暗黑材料”可以轻松处理，即使触摸也不会影响其性能，并且可以轻松清除灰尘等杂质。没有比这更黑、更有用的黑体材料了。“至高的暗黑材料”即使在明亮的地方也能实现深邃的黑色，可以防止背景的映射，为视觉表现提供了前所未有的高对比度。此外，尽管不如腰果油黑色树脂，但在使用不含碳黑颜料的复合组分时，也可以找到其他低散射黑色基材。根据所需的反射率和应用，可以选择不同的基材，光闭合结构的制造也是这种新暗黑片技术的特点。下一步，将推进具体的应用开发和实际应用研究。例如，在许可协议的基础上，将向材料制造商等进行技术转移。未来，这项技术将有助于光利用技术的显著性能提升，不仅适用于专业用途需要极力抑制光的散射，而且还包括身边的场景。
