Еще в прошлом году физики из Ренсселерского политехнического института сообщали о создании «идеально черного» покрытия. В тот раз использовались короткие кварцевые наностержни, выращенные под углом в 45° к поверхности образца. Коэффициент преломления такого покрытия оказался равным 1,05, то есть очень близким к коэффициенту преломления воздуха (для сравнения у стекла он — 1,45). Из-за такого покрытия образец заметно «чернел». На фото сверху вниз: алюминий, кремний, нитрид алюминия и нитрид алюминия, покрытый кварцевыми наностержнями. Фото: E. Fred Schubert and Jong Kyu Kim, Rensselaer Polytechnic Institute

Чернее черного

В конце января четверо физиков с разных факультетов Ренсселерского политехнического института (Rensselaer Polytechnic Institute) в городе Трой штата Нью-Йорк сообщили о создании материала, который поглощает до 99,955% падающего на его поверхность света. Этот материал оказывается, таким образом, в три раза «чернее» самого черного из известных на сегодняшний день черных тел. Никель-фосфорный сплав, бывший рекордсменом до сегодняшнего дня, отражал 0,16% падающего света, Новый материал — всего 0,045%

Такой существенный прорыв в свойствах материалов мог быть достигнут, как нетрудно догадаться, исключительно благодаря применению новых технологий — в данном случае, нанотехологий. Материал со столь высоким коэффициентом поглощения был собран из полых нанотрубок — каждая из них представляет собой графитовый лист атомарной толщины, свернутый в трубочку. Как известно, монокристалл графита состоит из шестигранных призм, в вершинах которых расположены атомы углерода. Причем вдоль ребер шестиугольников атомы связаны прочно, а силы, действующие вдоль ребер прямоугольных боковых граней, довольно слабые. Именно из-за этого графит легко расслаивается, оставляя на бумаге черный след, — алмаз, в котором те же атомы иначе упорядочены, оставлять такой же след на бумаге не будет.

Теорая ловушки для фотонов из собранных в единую «щетку» микроскопических «щетин», была построена еще в 1997 году. Тогда было показано, как свет, попадая на ее поверхность, уже не может выйти обратно. На практике этот эффект, однако, получается не так легко: хотя о первых наблюдениях нанотрубок советские химики Л. В. Радушкевич и В. М. Лукьянович сообщали ещё в 1952 году, таких значений показателя поглощения никому до сих пор получить не удавалось. И дело не только в том, что требовалось получить трубки заданного диаметра, но и в том, чтобы определенным образом их расположить — параллельно друг другу, создавая довольно разреженную структуру.

Шон-Ю Лин (Shawn-Yu Lin), один из авторов статьи, сообщающей об открытии, так пояснил его суть корреспонденту газеты Washington Post: «Это глубокая тьма, как в лесу в самую темную ночь. Ничто не отражается. Очень, очень, очень темно». Главная идея в том, что в лесу темно из-за вертикально стоящих высоких деревьев: чем выше деревья, тем темнее лес. Соответственно, и поглощение наноструктурой будет расти при увеличении относительной высоты трубок при сохранении их относительной разреженности (расстояние между трубками должно быть много больше их диаметра). В том образце, который исследовался авторами статьи, средняя длина нанотрубок равнялась 500–1000 мкм, а средний диаметр — 9 нм (на всякий случай напомню, что 1 мкм = 1000 нм).

Густой лес хорошо поглощает солнечный свет, даже если нет листвы: лучи многократно отражаются от стволов, теряя интенсивность при каждом отражении. Фото (Creative Commons license): Tim Snell

Второй принципиальный фактор черноты — это хаотическое расположение «деревьев» в «лесу». Если в расположении трубок будет хоть какая-то регулярность, то свет, даже многократно отраженный и потому потерявший свою изначальную яркость, будет вновь усиливаться — при отражении под определенным углом «лес» станет отражать как целое и в этом направлении возникнут блики. Чернота перестанет быть абсолютной.

Плащи-невидимки

Кажется естественным видеть связь между новым материалом, исследованным в Ренсселерском институте, и «плащом Гарри Поттера», способным при определенных условиях делать накрытые им объекты в буквальном смысле слова невидимыми. Такого рода материалы, получившие название «метаматериалов», уже создавались и испытывались в различных исследовательских центрах. Правда, тогда речь шла о искривлении оптических лучей, а не о полном поглощении их. Абсолютно черный «плащ Гарри Поттера» может быть достаточно эффективен только при очень определенных условиях — например, темной ночью либо при полете высоко в небе. У настоящего плаща-невидимки световые волны обтекают объект, как вода обтекает камень. Тогда предметы, находящиеся позади объекта, становятся видимыми, а сам объект исчезает из вида.

Конечно, свойства метаматериалов могут быть весьма разнообразными. Они не только позволяют «прятать очевидное», но и создавать разнообразные иллюзии, показывая и человеку и оптическому прибору нечто совсем не там, где оно в реальности находится. Это вообще очень мощное средство управления световыми лучами, и нет ничего удивительного, что им давно заинтересовалось министерство обороны США (U.S. Department of Defense) и американские спецслужбы. Различные разработки по созданию маскирующих устройств финансируются ими. В одном из таких экспериментов, проведенных в университете штата Северная Каролина (North Carolina State University), объект размером чуть меньше хоккейной шайбы стал невидимым для датчика, который «видит» с помощью микроволн.

Этот безусловно важный успех все же весьма ограничен, и способности всех подобных «плащей» ещё долго будут сводиться к тому, чтобы направлять вокруг объектов электромагнитные лучи лишь какой-то узкой части спектра — и, вероятно, пройдут годы, прежде чем ученые сделают плащи, способные отклонять все световые лучи, включая лучи видимого спектра. Но даже плащи, обладающие ограниченными возможностям, могут дать огромные преимущества, делая объекты не видимыми для лазерных лучей, используемых в системах наведения оружия, а также для инфракрасных приборов ночного видения.

Технология «стелс» делает самолеты F/A-22 Raptor, сменившие в американской авиации F-15, практически незаметными для радаров. Фото: Kevin Robertson/USAF

Но министерство обороны не финансировало разработку нового сверхчерного материала, созданного Шон-Ю Лином и его коллегами. Правда, его сотрудники были в числе первых среди позвонивших в день выхода номера журнала «Nano Letters» со статьей. В одном из своих интервью Шон-Ю Лин признал, что материалы, которые полностью поглощают падающие на них лучи видимого света, могут служить дополнением к уже существующим покрытиям «стелс» (Stealth technology), поглощающим сигналы радаров. Но основные перспективы применения самого черного материала — сугубо мирные.

Покрытые им солнечные панели будут намного эффективнее панелей, покрытых обычной черной краской, которая отражает не менее 5% падающего на нее света. Его применение в качестве внутренней облицовки телескопов позволит улавливать случайные искорки света и обнаруживать слабые звезды.

Применение поглощающего энергию сверхчерного материала сделает более точными датчики высокой температуры и устройства измерения энергии, включая устанавливаемое на спутниках оборудование для контроля за климатом.

Мирные профессии метаматриалов

Соответственно, основной интерес к публикации проявили не военные, а вполне мирные промышленные компании. В частности — работающие в области солнечной энергетики, такие как SolFocus из Маунтин-Вью, штат Калифорния. Очевидно преимущество абсолютно черного материала и в метрологии: «Чем чернее материал, тем лучше», — сказал физик Джеральд Фрейзер (Gerald Fraser) из Национального института стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology), исследовательского центра в составе министерства торговли США (US Department of Commerce), который определяет, в частности, стандарты мер и весов. Управление предлагает ученым «стандартный черный цвет», который в течение многих лет служил стандартом черноты. Фотографы и печатники используют его при составлении шкалы оттенков серого цвета. В промышленности его используют для настройки рентгенографических систем, которые обнаруживают радиацию или скрытые дефекты в строительных материалах.

Этот черный цвет отражает примерно 1,4% падающего света в видимом диапазоне. Но теперь это уже вчерашний день: в 2003 году было получено вещество — сплав никеля и фосфора, —отражающее всего 0,16% падающего света. Это достижение было внесено в Книгу рекордов Гиннесса (Guinness World Records) и в список «300 лучших изобретений года», составленный журналом «Тайм» (Time). Теперь для Книги рекордов Гиннесса есть новый претендент. Новый образец черного цвета отражает всего 0,045% падающего света.

Конструкция, которая используется для того, чтобы заставить световой луч обогнуть объект, находящийся на его пути, больше похожа на шкатулку, чем на плащ. Фото: David Schurig/Electrical and Computer Engineering Duke University

За время, прошедшее с момента публикации статьи, было немало возможностей у других физиков прокомментировать открытие коллег-конкурентов. «Существует множество материалов, поглощающих и почти не отражающих свет. Это не главная проблема, — сказал, например, Джон Пендри (Sir John Pendry), профессор физики Имперского колледжа (Imperial College) в Лондоне. — Главная проблема, прежде всего, в том, чтобы заставить свет идти туда». Вообще-то нью-йоркская команда именно этого и добилась за счет больших промежутков между нанотрубками. Но Пендри намекает на другое: с его точки зрения задача создания метаматериалов более содержательна, нежели приближение к полной черноте. И если сверхчерный объект, даже невидимый для глаза, все же отбрасывает тень, то объект, накрытый плащом-невидимкой, никакой тени отбрасывать не будет.

Однако у метаматериалов есть и ещё одна ахиллесова пята: эти «плащи» совсем не такие тонкие и гибкие, как выдуманный плащ Гарри Поттера. Их толщина — несколько сантиметров, они твердые и напоминают скорее контейнеры. В них можно спрятать неподвижный объект, но не движущегося человека. Сделать тонкий, гибкий плащ из метаматериала — задача технически трудная, хотя, возможно, разрешимая. В чем проблема — понятно: гибкий плащ может сильно изгибаться, так же сильно надо будет изогнуть и световой луч, идущий вдоль его поверхности.

Если сильно искривить луч света, то его окажется возможным втиснуть в пространство меньшее, чем длина его волны. Одна из новых областей оптики, получившая название трансформационной (transformation optics), исследует такую возможность. А если её реализовать, то можно будет сконцентрировать электромагнитную энергию света в исчезающе малом пространстве. Такие лучи могут обладать разрушительной силой или служить сверхчувствительным зондом, способным обнаружить даже отдельную молекулу исследуемого вещества.

Ну что же, и в этом нет ничего удивительного: для того, чтобы нечто идеально скрыть или, наоборот, нечто с идеальной зоркостью разглядеть, приходится использовать одни и те же физические механизмы.