1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

وانتابلک (Vantablack)، سیاهترین ماده ساخته شده در دنیا

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - سید محمد حسین بنی طباء بیدگلی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : نانولوله‌ کربنی - رسوبدهی شیمیایی بخار CVD تاریخ مقاله : 1395/12/20 تعداد بازدید : 699

یک ترکیب فوق سیاه، بخش قابل توجهی از نور تابیده شده به خود را جذب می کند و تقریباً هیچ نوری را بازتابش نمی دهد. از سال 2007، سازمان ملی هوانوردی و فضایی امریکا (NASA) تحقیقاتی را در خصوص ساخت نانومواد فوق سیاه به منظور استفاده در تجهیزات اپتیکی آغاز کرد و در سال 2009 به نخستین محصولات این حوزه دست یافت. این ترکیبات فوق سیاه، رنگدانه یا ترکیب شیمیایی جدیدی نیستند، بلکه نانوساختارهای منظمی متشکل از نانولوله های کربنی هستند که شیوه ی آرایش و میزان تراکم در آن ها نقش اصلی را در جذب فوق العاده تابش ایفا می کند. آخرین پیشرفت در حوزه ساخت مواد فوق سیاه، در سال 2014 توسط یک شرکت بریتانیایی و با معرفی Vantablack به عنوان سیاهترین ماده جهان صورت گرفت. هر چند به دلایل تجاری بسیاری از جنبه های تکنیکی ساخت این ترکیب فاش نشده است، در این مقاله تلاش شده تا به معرفی اجمالی این محصول و ویژگی های ساختاری، معرفی خصوصیات، کاربردها و اطلاعات موجود در مورد فرآیند تولید آن پرداخته شود.

یک شرکت بریتانیایی به نام Surrey NanoSystems در سال 2014 موفق به ثبت ترکیبی نانوساختار به‌عنوان سیاه‌ترین ترکیب شناخته شده در جهان شد. بر خلاف انتظار، این ماده یک ترکیب رنگی نیست، بلکه ترکیبی ساخته شده بر مبنای فناوری نانو است که خصوصیت جذب نور فوق‌العاده‌ی آن نیز تا حد زیادی به‌دلیل ساختار آن در مقیاس نانو حاصل شده است. این محصول که Vantablack نام دارد، یک ترکیب فوق سیاه است که 965/99 درصد از پرتوهای تابانده شده به سطح خود را جذب می‌کند و تنها 035/0 درصد آن را بازتاب می‌دهد ]1و2[. این مقدار، بالاترین میزان جذب نور ثبت شده در میان ترکیبات شناخته شده است. در مقایسه با رنگدانه‌های سیاه باکیفیت که 10-8 درصد نور را بازتاب می‌دهند و حتی در مقایسه با نمونه‌ی مرجع سیاه رنگی که به‌وسیله‌ی مؤسسه ملی استاندارد و فناوری امریکا (NIST) معرفی شده است و تنها 4/1 درصد نور را در ناحیه‌ی مرئی (طول موج nm 700-450) بازتاب می‌دهد ]3[، بازتابش نور از سطح Vantablack بسیار کمتر است (شکل 1) ]4[. بخش قابل توجهی از فعالیت‌های شرکت Surrey NanoSystems بر روی نانومواد پایه‌ی کربنی از جمله نانولوله‌های کربنی و گرافن متمرکز است و Vantablack نیز ترکیبی متشکل از نانولوله‌های کربنی است. در Vantablack، نانولوله‌های کربنی با طول چند میکرون به شکل عمود بر سطح و به‌صورت نسبتاً متراکم آرایش پیدا کرده‌اند. با این حال، فضاهای خالی کمی بین این نانولوله‌های کربنی وجود دارد. شکل 2 تصویری شماتیک و همچنین تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی Vantablack که بر روی زیرلایه‌ای از جنس آلومینیوم پوشش داده شده است را نشان می‌دهد ]5و6[. در مقیاس میکروسکوپی، Vantablack به یک جنگل انبوه از درختان متشکل از نانولوله‌های کربنی شباهت دارد که نوری تابیده شده به داخل آن، امکان خارج شدن از آن را پیدا نمی‌کند. هر سانتی‌متر مربع از سطح پوشش داده شده با این ترکیب، حاوی حدود یک میلیارد نانولوله‌ی کربنی است که به‌صورت متراکم در کنار هم قرار گرفته‌اند. رنگ سیاه ذاتی نانولوله‌های کربنی در کنار آرایش مخصوص و متراکم آن‌ها چنین ویژگی خارق العاده‌ای را به Vantablack بخشیده است. هر چند ساختارهای مشابهی از نانو میله‌های TiO2 و SiO2 نیز به‌عنوان پوشش‌هایی فوق سیاه با قابلیت جذب خوب تابش معرفی شده‌اند ]7[، اما آن‌ها به طور متوسط 79/3 درصد نور را بازتاب می‌دهند و هیچکدام عملکردی در حد Vantablack ندارند.

وقتی به Vantablack نگاه می‌کنید، به نزدیک‌ترین تصویر ممکن به «هیچ» چشم دوخته اید! قدرت جذب نور Vantablack به قدری فوق‌العاده است که در حقیقت باید گفت شما قادر به دیدن آن نیستید و تنها به واسطه‌ی محیط پیرامونی آن می‌توانید محدوده‌ی آن را تشخیص دهید. ایجاد پوششی از Vantablack بر روی سطح اشیاء سه بعدی، باعث می‌شود که آن‌ها به‌صورت دو بعدی به‌نظر برسند. فرورفتگی‌ها و برجستگی‌ها کاملاً محو می‌شوند و به شکل یک سطح هموار سیاه‌رنگ به‌نظر می‌رسند (شکل 3) ]8و9[. در نتیجه استفاده ازVantablack در فناوری استتار مورد توجه قرار گرفته است.

کاربردهای گسترده‌ای در صنایع هوا-فضا، نظامی و ساخت تجهیزات نوری و حتی آثار خلاقانه‌ی هنری برای این ترکیب می‌توان متصور بود ]10[. حذف تابش‌های سرگردان در تلسکوپ‌ها و کاوشگرهای فضایی به‌منظور رصد کردن ستاره‌های بسیار کم نور یکی از این کاربردهاست. همچنین تابش‌های مزاحم در تجهیزات آزمایشگاهی طیف‌بینی را می‌توان با استفاده از این ترکیب تا سطح قابل قبولی کاهش داد و با کاهش این نویزها، به حساسیت‌های بالاتری در این دستگاه‌ها دست پیدا کرد. به کارگیری لایه‌ای از این ترکیب در آشکارسازهای حرارتی نیز می‌تواند به بهبود حساسیت این تجهیزات کمک کند ]11[. در کنار ویژگی نوری، مقاومت پوشش‌هایی از این ترکیب در برابر انواع مختلفی از تنش‌های مکانیکی مانند ارتعاشات طولانی مدت و ضربه‌ی شدید و همچنین عدم انتشار ذرات یا تصاعد گاز از سطح آن‌ها که برای استفاده در تجهیزات گران‌قیمت و حساس تصویربرداری و اپتیکی لازم است، ارزیابی و تأیید شده است. هر چند اولین سفارش به شرکت سازنده‌ی Vantablack از سوی یک شرکت نظامی مرتبط با تجهیزات هوا-فضا صورت گرفت، اما انتظار می‌رود در ادامه از این ترکیب در سایر زمینه‌ها نیز استفاده شود.

NASA از پیشگامان تحقیقات در زمینه‌ی نانومواد فوق سیاه بوده است و از سال 2007 میلادی، یک گروه تحقیقاتی به رهبری John Hagopian در حال کار بر روی نانولوله‌های کربنی به منظور ایجاد مواد فوق سیاه است. در شیوه‌‌ی پوشش‌دهی ارائه شده به‌وسیله‌ی گروه تحقیقات NASA، ابتدا لایه‌ای از کاتالیست اکسید آهن بر روی سطح ایجاد می‌شود و سپس در کوره‌ای با دمای 750 درجه‌ی سانتی‌گراد، گازی غنی از کربن مانند استیلن، اتیلن، متان و... از روی سطح عبور داده می‌شود. با این فرآیند، ایجاد پوششی از نانولوله‌های کربنی چند‌دیواره (MWCNTs) روی سطوحی مانند تیتانیوم، مس، و استیل ضدزنگ امکان‌پذیر است. محققان شرکت Surrey NanoSystems ساخته شدن Vantablack را یک پیشرفت مهم در حوزه‌ی مواد فوق سیاه ارزیابی می‌کنند؛ چرا که سازندگان ترکیبات مشابه مبتنی بر نانولوله‌های کربنی از جمله NASA، اساساً به‌وسیله‌ی فرآیندهایی با دمای بسیار بالا این کار را انجام می‌دهند. در نتیجه امکان استفاده از روش‌های آنان در صنایع الکترونیک حساس یا برای موادی با نقطه‌ی ذوب و پایداری حرارتی پایین وجود ندارد. مشکل دمای بالا، در کنار چسبندگی ضعیف، امکان به کارگیری محصولات سایر شرکت‌ها را در بسیاری از تجهیزات فضایی با چالش مواجه کرده است. فرآیند ساخت Vantablack که از نوع رسوب‌دهی شیمیایی بخار فوتوحرارتی است، به گرمای کمتری نیاز دارد ]12و13[؛ به گونه‌ای که امکان پوشش‌دهی سطوحی مانند آلومینیوم را بدون ذوب شدن یا تغییر شکل دادن آن‌ها فراهم می‌سازد. محققان این شرکت زمانی به روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD) ویژه‌ی خود دست یافتند که در طی کار بر روی فناوری نیمه‌هادی‌ها، کشف کردند که هنگام پوشش‌دهی با CVD به جای گرمادهی از پایین، با حرارت دادن تابشی از بالا با استفاده از لامپ‌های مادون قرمز (IR) می‌توانند دما را به‌جای محدوده‌ی 800-700 درجه‌ی سانتی‌گراد که در سایر روش‌ها اعمال می‌شد، تا سطحی نزدیک به 400 درجه‌ی سانتی‌گراد پایین نگه دارند. با کاهش دمای فرآیند رشد نانولوله‌های کربنی به کمک روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار فوتوحرارتی، هم‌اکنون می‌توان ترکیبات فوق سیاه را به شکل پوششی در سطح حسگرهای پیروالکتریک و ورقه‌های نازک آلومینیومی نیز مورد استفاده قرار داد.

علی‌رغم خصوصیات جالب و منحصر به‌فرد Vantablack، نیاز به بهبود برخی جنبه‌ها همچنان احساس می‌شود. فرآیند پوشش‌دهی سطوح با این ترکیب فرآیندی پیچیده و گران‌قیمت است که صرفاً در انحصار شرکت Surrey NanoSystem قرار دارد. به همین دلیل، در حال حاضر قیمت Vantablack از الماس و طلا بیشتر است. علاوه‌بر این، علی‌رغم استحکام پوشش‌های Vantablack در برابر ارتعاشات طولانی مدت و همچنین ضربه، به‌دلیل نحوه‌ی قرارگیری نانولوله‌ها به شکل عمود بر سطح، این پوشش‌ها در برابر سایش استحکام خوبی از خود نشان نمی‌دهند. انتظار می‌رود با ادامه‌ی تحقیقات در حوزه‌ی ساخت ترکیبات فوق سیاه، نقاط ضعف موجود برطرف شود.

 

منابع

[1] P. Sidney, Phys. World 29 (2016) 48.

[2] http://mentalfloss.com/article/77190/6-facts-about-vantablack-darkest-material-ever-made.

[3] Z. P. Yang, L. Ci, J. A. Bur, S. Y. Lin, P. M. Ajayan, Nano Lett, 8 (2008) 446-451.

[4] https: //www.youtube.com/watch?v=XQR320g9HR8.

[5] E. Theocharous, C. J. Chunnilall, R. Mole, D. Gibbs, N. Fox, N. Shang, G. Howlett, B. Jensen, R. Taylor, J. R. Reveles, O. B. Harris, N. Ahmed, Opt. Express, 22 (2014) 7290-7307.

[6] R. Silva, M. Ahmad, Patent No.: WO/2015/189575 A1.

[7] S. Ravipati, J. Shieh, F.H. Ko, C.C. Yu, H.L.Chen, Adv. Mater, 25 (2013) 1724-1728.

[8] https: //en.wikipedia.org/wiki/Vantablack.

[9] https: //blog.sciencemuseum.org.uk/vantablack-is-the-new-black/.

[10] P. Ball, Nat. Mater. 15 (2016) 500-500.

[11] E. Theocharous, R. Deshpande, A. C. Dillon, J. Lehman, Appl. Opt. 45 (2006) 1093-1097.

[12] http://phys.org/news/2014-07-surrey-nanosystems-super-black-material.html.

[13] http://singularityhub.com/2014/07/19/new-super-black-light-absorbing-material-looks-like-a-hole-in-reality/.



مقالات آموزشی مرتبط