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美國科學家研製最黑材料 可以吸收99%光線


美國宇航局的工程師們成功研製出一種特種材料,它能實現對紫外,可見光,紅外線以及遠紅外波段光線超過99%的吸收率。這項技術的出現有望開啟太空探索的新疆界。

美國宇航局戈達德空間飛行中心的一個工程師小組在近日舉行的SPIE光學與光子學會議上做了相關報告。這是該行業內最大的跨學科技術會議。據開發這一技術的10人戈達德工程師小組負責人約翰·哈戈皮恩(John Hagopian)表示,他們隨後還對這種新型材料的吸收性能進行了額外的驗證性測試,以檢驗其有效性。

他說:「反射測試顯示我們開發的材料已經成功地將材料的吸收性能提升了50倍以上。之前也有團隊研製出吸收性能接近完美的材料,但是他們的材料只在較窄的波段,如紫外和可見光波段有效,而我們的材料則實現了從紫外一直到遠紅外的全波段吸收,這是前所未有的。」

這種材料本質上就是多層的納米碳管塗層,這是一種中空的純碳元素構成的管狀體,厚度要比人的頭髮絲直徑小1萬倍。它們垂直附著於不同的基底材料表面,就像地毯上的毛。工程師小組已經測試過將這些材料附著於硅,氮化硅,鈦和不銹鋼的表面,這些都是在太空工程中常用的材料。為了讓納米碳管得以順利附著,戈達德飛行中心的工程師斯蒂芬妮·蓋提(Stephanie Getty)在這些測試材料的表面塗上一層鐵催化劑塗層。隨後她將材料加熱至750攝氏度,同時將其暴露於含碳物料氣體環境中。

測試顯示這種材料在諸多太空領域都有著很好的應用,尤其是當科學任務上需要進行多波段觀測時便更加顯示其重要性。其中一項重要應用就是雜散光抑制。附著在材料表面的納米碳管可以收集並阻滯背景光線,從而阻止其從表面反射出去,進而對科學家們需要觀測的目標光線之間發生干擾。正是由於僅有極少部分的光線能夠反射出去,因此在人的肉眼,甚至靈敏的儀器看來,這種材料都是黑色的。

尤其是,小組發現這種材料在紫外和可見光波段的光線吸收率高達99.5%,而在波長稍長的波段以及遠紅外波段的吸收率也達到了98%。哈戈皮恩說:「我們的這種材料相比其他材料的優勢在於其吸收率要比後者高出10~100倍,具體的性能取決於波段的不同。」

戈達德工程師瑪努爾·奎加達(Manuel Quijada)也是論文的合著者之一,他說:「我們對於這樣的結果有一點吃驚。我們知道它能吸收光線,但是我們沒有料到它的吸收性能會這麼好。」

一旦這種材料投入使用,它將極大地提升探測器和設備的性能。比如說,這項技術將讓科學家們得以探測到宇宙中極其遙遠,其光線甚至已經微弱到在可見光波段無法察覺的天體的信號,或者對處於高對比環境下的天體,如圍繞其它恆星運行的闇弱行星進行觀察。而研究地球大氣和海洋的科學家們也將從中受益。對地觀測設備接收到的光信號中有90%來自大氣散射反射產生的「雜光」,從而掩蓋了他們想要觀測的地面反光信號。

在目前的條件下,工程師們會使用塗黑漆,或者借助其它輔助設備來幫助減少雜光干擾。然而黑漆僅能吸收大約99%的入射光,而納米碳管塗層產生的多層反射則能讓材料的總體性能更加優越,甚至能將雜光減少100倍以上。

還有一點很重要的,正如戈達德工程師艾德·沃萊克(Ed Wollack)指出的那樣,就是黑色塗漆在超低溫下將不再是黑色。它們會顯示出一種閃閃發光的銀色調。沃萊克負責對這種材料的超低溫性能進行測試,目的是檢驗其是否適合用在超高靈敏度的遠紅外探測設備上,這種設備工作於超低溫環境下,用於接收從極遙遠宇宙深處發出的微弱的遠紅外信號。如果這些設備不夠「冷卻」,設備和望遠鏡本身的熱量產生的紅外輻射將干擾和削弱設備的靈敏度。

戈達德工程師吉姆·塔特爾(Jim Tuttle)說,黑色材料在飛船設備方面還有一項重要的應用,尤其是對於紅外探測設備而言更是這樣。材料越「黑」,它便能輻射出去更多的熱量。換句話說,超黑色材料,如納米碳管塗層可以被用於需要去除設備溫度的環境下,它能幫助將熱量散發進入外太空。這將幫助確保設備的冷卻,從而保證對闇弱深空天體信號的敏銳捕捉。

為了防止黑色塗漆在較長波段上出現吸收性能不理想的情況,工程師們會使用環氧樹脂配合導電金屬材料,以此製作一種黑色鍍膜。這種材料儘管效果尚可,卻會增加航天器的重量,這讓技術人員們很困擾。而一旦有了這種新的納米碳管塗層材料,它密度更小,但是性能優越,沒有任何添加劑,可以高效吸收各波段光線並進行有效散熱。沃萊克說:「這將是一種非常有前景的材料。它非常有效,重量很輕,並且呈現極度黑色。長遠來看,它比黑色塗漆的性能要更好。」

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