Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 26 januari 2008
Amerikaanse onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute (Troy, New York) hebben het zwartste materiaal ooit gemaakt.
Een ideaal zwart oppervlak absorbeert elke lichtkleur volledig. Geen sprankje licht kaatst meer terug. Maar de alledaagse zwarte verf of zwarte jas reflecteert nog steeds tussen vijf en tien procent van het zichtbare licht. Nep-zwart dus. Het nieuwe materiaal van de Amerikanen reflecteert slechts 0,045 procent, driemaal zo weinig als de vorige recordhouder. Ze beschrijven en verklaren hun experimenten in Nano Letters van 9 januari.
De onderzoekers lieten een soort minuscuul bos groeien van holle koolstofnanobuizen. Elke nanobuis is tussen de acht tot tien nanometer dun (een nanometer is een miljoenste van een millimeter). De nanobuizen staan als boomstammen naast elkaar in een dunne film, niet dikker dan een menselijke haar.
Maar er is meer nodig. Het oppervlak van de film is namelijk ruw. Hier steken de nanobuizen niet meer verticaal omhoog, maar slingeren ze als spaghettislierten door elkaar. Daardoor deukt het oppervlak hier een beetje in en steekt het daar een beetje uit. Het geheim van het zwartste zwart blijkt te zitten in een combinatie van de specifieke eigenschappen van koolstofnanobuizen, de lage dichtheid van de film en de ruwheid van het filmoppervlak.
In 1997 voorspelde theoretisch fysicus professor Sir John Pendry van Imperial College London dat een film van verticaal gerangschikte koolstofnanobuizen een extreem lage brekingsindex kan krijgen: tussen 1,01 en 1,10. In principe een ideale kandidaat voor een extreem hoge absorptie, in combinatie met een extreem lage reflectie.
“Ik vind de resultaten zeer betrouwbaar”, vertelt hij aan de telefoon over het werk van zijn experimentele collega’s. “En ik ben verrast dat ze zo’n zwart materiaal hebben gemaakt. Het was deels een toevallige ontdekking, eentje van veel trial and error. De moeilijkheid bij het vinden van een superzwart materiaal is dat het niet alleen goed moet absorberen – er zijn veel materialen die dat kunnen – maar tegelijkertijd nauwelijks moet reflecteren. Dat is het grootste probleem. De reflectie moet zowel laag zijn voor alle kleuren licht, als voor alle invalshoeken van het licht. De onderzoekers hebben overtuigend aangetoond dat hun materiaal beide eigenschappen heeft.”
In principe kan het nog zwarter, zegt Pendry. “Er is geen theoretische limiet. Maar je moet altijd een compromis zoeken tussen de dichtheid van het materiaal en zijn absorptie. Door de dichtheid te verlagen, verlaag je de reflecties, maar daalt ook de absorptie.”
Superzwarte materialen kunnen hun toepassing vinden in zonnecellen of in geavanceerde stralingsmeters.
