Vantablack: свойства, создание и применение¶

Vantablack — это торговое название класса сверхчёрных покрытий на основе вертикально ориентированных массивов углеродных нанотрубок, разработанных британской компанией Surrey NanoSystems. Материал способен поглощать до 99,965 % падающего на него видимого света, что делает его одним из самых тёмных искусственно созданных веществ в мире. Название представляет собой аббревиатуру от англ. Vertically Aligned NanoTube Array (вертикально ориентированный массив нанотрубок) и слова «black».

¶История создания

Разработка Vantablack началась в 2011 году в исследовательском центре Surrey NanoSystems, расположенном в графстве Восточный Суссекс (Великобритания). Изначально материал создавался для калибровки чувствительной оптической аппаратуры, в частности для подавления рассеянного света в телескопах и спектрометрах. Первая публичная демонстрация покрытия состоялась в июле 2014 года, после чего материал получил широкую известность благодаря необычному визуальному эффекту — покрытые им объекты выглядят как абсолютно плоские двумерные чёрные силуэты, лишённые объёма и фактуры.

В 2015 году компания представила улучшенную версию — Vantablack S-VIS, наносимую методом распыления, что позволило покрывать объекты сложной формы и большие поверхности. Позднее появился вариант Vantablack VBx2, адаптированный для коммерческого использования в потребительских товарах, например в оптике и ювелирных изделиях.

¶Физический принцип работы

Сверхчёрный эффект Vantablack обусловлен не пигментом, а структурой материала. Покрытие состоит из миллионов углеродных нанотрубок — полых цилиндров из графена диаметром около 20 нанометров и длиной от 14 до 50 микрометров. Трубки растут вертикально, плотно прилегая друг к другу, и образуют «лес» с высокой пористостью.

Когда фотон попадает на поверхность, он проникает в промежутки между трубками и многократно отражается от их стенок. При каждом отражении часть энергии фотона поглощается за счёт плазмонных эффектов и перехода электронов в возбуждённое состояние. В результате вероятность выхода фотона обратно в окружающее пространство крайне мала — коэффициент отражения в видимом диапазоне составляет менее 0,035 %. Дополнительный вклад вносит шероховатость поверхности на микроуровне, которая рассеивает остаточное отражение.

¶Способы производства

Технология создания Vantablack основана на методе химического осаждения из паровой фазы (CVD). Процесс происходит в вакуумной камере при температуре около 430 °C. Подложка (металл, керамика, кремний) нагревается, после чего в камеру подаётся смесь газов, содержащая углерод (например, ацетилен) и катализатор (соединения железа). В результате термического разложения на поверхности формируется слой углеродных нанотрубок. Скорость роста составляет несколько микрометров в час.

Существуют два основных варианта нанесения:

• Vantablack (оригинальный) — выращивание нанотрубок непосредственно на подложке. Требует высокотемпературного процесса, поэтому применим только к материалам, выдерживающим нагрев до 430 °C.
• Vantablack S-VIS — суспензия нанотрубок, наносимая распылением или кистью с последующей сушкой. Не требует нагрева, но даёт несколько более высокий коэффициент отражения (около 0,2 %).

¶Свойства и характеристики

Помимо экстремально низкого коэффициента отражения, Vantablack обладает рядом других значимых свойств:

• Термостойкость — выдерживает температуры от −196 °C до +300 °C без деградации оптических характеристик.
• Гидрофобность — поверхность отталкивает воду, что облегчает очистку.
• Механическая прочность — нанотрубки устойчивы к вибрациям и сотрясениям, однако покрытие чувствительно к истиранию и царапинам.
• Низкое газовыделение — материал не выделяет летучих соединений в вакууме, что важно для космической техники.
• Высокая теплопроводность вдоль оси трубок, что позволяет использовать покрытие для отвода тепла.

¶Области применения

¶Космическая и оптическая техника

Основное предназначение Vantablack — подавление паразитной засветки в оптических приборах. Покрытие применяется на внутренних поверхностях телескопов, камер и спектрометров для повышения контрастности изображения. В частности, материал использовался при создании научных приборов для европейских и американских космических миссий. В условиях открытого космоса покрытие также эффективно поглощает тепловое излучение, что помогает стабилизировать температуру спутников.

¶Военная и оборонная промышленность

Благодаря способности поглощать инфракрасное излучение, Vantablack исследуется для маскировки военной техники и снижения заметности объектов в инфракрасном диапазоне. Однако широкого применения в этой сфере материал пока не получил из-за хрупкости и сложности нанесения на крупные поверхности.

¶Искусство и дизайн

В 2016 году британский художник Аниш Капур приобрёл эксклюзивные права на использование Vantablack в художественных целях, что вызвало неоднозначную реакцию в творческом сообществе. Капур создал несколько работ, в которых покрытие использовалось для создания эффекта «бездонной» чёрной поверхности. В ответ на монополию художник Стюарт Семпл разработал альтернативный сверхчёрный материал Black 2.0, доступный для всех желающих.

¶Потребительские товары

В 2019 году Surrey NanoSystems начала продажи Vantablack VBx2 для ограниченного круга коммерческих применений: покрытие используется в часах, ювелирных изделиях и предметах роскоши. Стоимость материала остаётся высокой, что ограничивает его массовое распространение.

¶Ограничения и недостатки

Несмотря на уникальные оптические свойства, Vantablack имеет существенные эксплуатационные ограничения. Покрытие крайне хрупко: при механическом воздействии нанотрубки разрушаются, и поверхность теряет сверхчёрные свойства. Материал нельзя наносить на гибкие или сильно изогнутые поверхности без потери качества. Оригинальная версия требует высокотемпературного процесса производства, что исключает её применение на пластиках и других низкотемпературных материалах. Кроме того, покрытие не защищает от ультрафиолетового излучения и со временем может деградировать под воздействием агрессивных химических сред.

¶Сравнение с аналогами

Помимо Vantablack, существуют другие сверхчёрные материалы. В 2019 году исследователи Массачусетского технологического института разработали покрытие из вертикально ориентированных нанотрубок, поглощающее 99,995 % света, что превышает показатель Vantablack. В 2022 году был представлен материал на основе целлюлозных нановолокон с коэффициентом поглощения 99,9 %. На рынке также доступны более дешёвые альтернативы, такие как краска Musou Black (поглощение около 99,4 %), однако их эффективность ниже.