Tökéletesen fekete

Bár az amerikai Rochester Egyetem tudósainak felfedezése pusztán a véletlen műve, viszont számos érdekes alkalmazása lehet. Az általuk "pitch black", azaz koromfeketeként emlegetett fémek többek közt olyan eszközök hatékonyságát növelhetik, mint az üzemanyagcellák, a napelemek, vagy a képfeldolgozó eszközök.

A váratlan eredmény Chunlei Guo nevéhez fűződik, aki csupán azt szerette volna tanulmányozni, hogy mi történik a fém tulajdonságaival különböző lézeres behatásokra. Egy rendkívül erős, ám annál rövidebb ideig tartó lézerimpulzus sorozat azonban teljes egészében megváltoztatta a fém fényvisszaverési tulajdonságait. Guo és munkatársai egy hétköznapi hálózati csatlakozóról is működtethető titán-zafír lézerrel bombáztak 65 femtoszekundumos impulzusokkal egy fém felszínét. A heves energiahatás már néhány impulzus után nanoméretű változásokat idézett elő a fémen, parányi lyukakat, gömböcskéket és szálakat alakítva ki, melyek a fényes felületet lassan koromfeketévé alakították.

A csiszolt fémfelületek néhány fényimpulzustól rücskössé váltak. A fény hullámhosszával összemérhető nagyságú kis mélyedések és dudorok olyan jól csapdába ejtették a rájuk eső fényt, hogy az előzőleg ragyogóan fényes felület tökéletesen feketének látszott.

Guo kollégáival letesztelte a feketévé vált fém fényelnyelési képességeit és megállapították, hogy az gyakorlatilag minden ráeső fényt elnyel, kis híján 100%-os a hatékonysága. A módszer minden eddig próbált fémmel működött, így a rézzel, az arannyal, platinával, alumíniummal, titánnal, cinkkel és wolframacéllal is.

A kutatók pásztázó elektronmikroszkóppal figyelték meg a különös struktúrák kialakulását Rájöttek, hogy a másodperc apró töredékéig tartó impulzusok a fémeknek csak egy egészen parányi részét olvasztják meg, ennek eredményeként jön létre a fényelnyelő felület. Hosszabb impulzusok esetén egyszerre több fém olvadt volna meg, és nem ilyen finom képződmények jöttek volna létre. Ha ilyen nanoszerkezeteket platinán alakítanak ki, hatékonyabbá tehetők a hidrogén üzemanyagcellákban végbemenő katalitikus reakciók.

A nagyfokú elnyelő képességre a hadsereg is felfigyelhet, mivel a lézerrel kezelt fémek rendkívül hatékonyak a radar és infravörös sugarak elnyelésében is, jócskán megnehezítve egy ilyen anyagból készült repülőgép vagy egyéb jármű észlelését. A lézeres "kezelés" nagy előnye, hogy összehasonlíthatatlanul tovább tart a hasonló hatást biztosító speciális bevonatoknál, hiszen esetünkben a lézer teljes egészében átformálja a fém felszínét. Emellett azonban kamatoztathatnak a technikából a különböző fénydetektorok, melyek jóval több adat elcsípésére lesznek képesek hagyományos fémalapú társaiknál, valamint fekete festék helyett is használható, legalábbis a fémek esetében.

Az eljárás meglehetősen egyszerű, azonban jelen állapotában rendkívül lassú, egy ujjnyi fém befeketítése is legalább 30 percet vesz igénybe. A kutatók jelenleg a folyamat felgyorsításának lehetőségeit vizsgálják, illetve azon kísérleteznek, hogy más hullámhosszok és intenzitás alkalmazásával, egyéb anyagoknál is el tudnák-e érni a fémeknél tapasztalt hatást.

Brit kutatók más módszerrel értek el hasonló eredményeket. Már három évvel ezelőtt bemutattak egy igen hatékony alternatív fémfeketítési módszert. A National Physical Laboratory munkatársai a fémfelületen salétromsavat buborékoltatva hozták létre az igen kicsi krátereket. Az amerikai femtoblasting elnevezésű új eljárás ehhez képest tiszta és egyszerű, de mivel egyszerre csak kis területet lehet a lézerrel besugározni, a pásztázás sokáig tart, egy kisujjnyi fémfelület befeketítése fél órát is igénybe vesz. Guo és munkatársai az impulzusok hosszának és intenzitásának változtatásával más anyagok befeketítésével próbálkoznak - adta hírül honlapján a The New Scientist című angol tudományos folyóirat.

A legfeketébb anyag
A tudományos világ által jelenleg ismert ''legsötétebb'' anyag szülőhelye egy Egyesült Államok-béli laboratórium. A kutatók szerint ez az anyag áll ez idáig legközelebb az ideális fekete testhez.

Az ideális fekete anyag elnyel bármilyen hullámhosszúságú fényt és semmit sem sugároz vissza. Elvileg lehetséges olyan anyagot készíteni, ami megközelíti a tökéletes fény abszorbenst (elnyelőt), viszont olyan anyagot nagyon nehéz konstruálni, ami egyáltalán nem sugározza vissza a fényt. Az elméleti megközelítés azt sugallja, hogy nanocsövek alkothatják a szuper-fekete anyagot.

A New York-i Rensselar Polytechnic Institute in Troy kutatói karbon nanocsövekből készítették el az eddigi ''legsötétebb'' anyagot. Atomnyi vastagságú szén rétegeket tekertek fel kicsiny hengerekké. Az így elkészült milliomod milliméter átmérőjű csövecskék kivételes tulajdonságot kölcsönöznek a belőlük előállított anyagnak. A nanocsövek méretének és elrendezésének megváltoztatásával átalakíthatóak az anyag fényelnyelési képességei, minimalizálható a visszatükrözés mértéke.

A kutatás vezetőinek mérései szerint az új szuper-fekete anyag fényvisszaverő képessége mintegy harmada az ez idáig ismert ''legsötétebb'' anyag fénykisugárzásának.
A felfedezés minden olyan területen alkalmazható, ahol fényt kell összegyűjteni. Kiváló alapanyag lehet az elektronikai iparban vagy a napenergia előállítás területén.


Elkészült a tökéletesen fekete anyag
A bostoni egyetem és az észak-karolinai Duke University kutatói létrehozták az abszolút fekete anyagot, ami a rávetített fényt tökéletesen elnyeli, visszatükrözés nélkül. Ráadásul nemcsak a látható fényt, de a sugárzás elektromos, és mágneses komponenseit is – igaz, ezt egyelőre csak egy nagyon szűk hullámhossztartományban tudja produkálni.

A kutatók nem sokat árultak el az anyag összetételéről, annyi biztos, hogy a legutóbbi ilyen jellegű kísérletekkel ellentétben most nem szénalapú nanocsövekkel operáltak, hanem fémekkel, és mivel végig metaanyagról beszélnek, nem az anyag összetétele a fontos, hanem annak geometriai struktúrája.

Mivel az anyag az elnyelt fényt hővé alakítja, minden eddiginél hatékonyabb kollektor abszorberek készíthetők majd a felhasználásával.