Mit seiner Fähigkeit, 99,96 Prozent des auftreffenden Lichts zu absorbieren, hat das als Vantablack bekannte Material viel Aufmerksamkeit als schwärzestes Material der Welt erregt. Wissenschaftler testeten es im Weltraum und BMW verwendete es, um seinem Geländewagen X6 eine auffällige Lackierung zu geben. Die MIT-Ingenieure behaupten nun, ein Material hergestellt zu haben, das 10-mal schwärzer ist als alles bisher Dagewesene – ein Fortschritt, der insbesondere für die Weltraumforschung von Nutzen sein könnte.
Das neue Material entstand gewissermaßen zufällig, als MIT-Ingenieure unter der Leitung des Professors für Luft- und Raumfahrttechnik Brian Wardle mit der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) experimentierten, die auf Materialien wie Aluminium gewachsen waren. Doch bei der Suche nach einer Lösung für ein Problem, auf das sie dabei stießen, hat das Team möglicherweise versehentlich einen Weg gefunden, ultraschwarze Materialien in noch dunklere Bereiche zu bringen.
Bei dem Versuch, CNTs auf Aluminium zu züchten, was eigentlich die Art und Weise ist, wie Vantablack und andere ultraschwarze Materialien zusammen mit der chemischen Gasphasenabscheidung hergestellt werden, stellte das Team immer wieder fest, dass sich Oxidschichten bildeten, wenn das Aluminium der Luft ausgesetzt wurde. Indem das Team die Aluminiumfolie in Salzwasser tränkte, bevor es sie in den Ofen legte, um die CNTs wachsen zu lassen, konnte es die Oxidschicht ganz vermeiden.
Ohne die Oxidschicht konnte das Team die Kohlenstoff-Nanoröhren auf dem Aluminium bei weitaus niedrigeren Temperaturen wachsen lassen, als es zuvor möglich war, nämlich bei etwa 100° C kühleren Temperaturen (180° F). Dies führte zu einer deutlichen Verbesserung der thermischen und elektrischen Eigenschaften des Materials, was die Wissenschaftler nicht überraschte. Was sie jedoch überraschte, war, wie dunkel das Material zu sein schien.
„Ich erinnere mich, dass mir aufgefallen war, wie schwarz es war, bevor ich die Kohlenstoffnanoröhren darauf wachsen ließ, und nach dem Wachstum sah es sogar noch dunkler aus“, sagt der ehemalige MIT-Postdoc und Mitautor der Studie, Kehang Cui. „Also dachte ich, ich sollte den optischen Reflexionsgrad der Probe messen.“
Die Analyse des Teams untersuchte nicht nur, was das Material reflektieren konnte, wenn es direkt von oben angestrahlt wurde, sondern aus jedem möglichen Winkel. Dabei stellte sich heraus, dass das Material mindestens 99,995 Prozent des auftreffenden Lichts absorbierte und damit die Lichtabsorptionsfähigkeit ähnlicher Materialien, einschließlich des vielgerühmten Vantablacks, deutlich übertraf.
„Das veröffentlichte Reflexionsvermögen aller anderen superschwarzen Materialien im sichtbaren Spektrum sowie im nahen IR und IR ist in unserem Papier zusammengefasst, und unser Material reflektiert im sichtbaren Spektrum bei jeder beliebigen Wellenlänge zehnmal weniger Licht als das am wenigsten reflektierende Material und mindestens zehnmal weniger als Vantablack, wenn man die Daten zugrunde legt“, so Wardle gegenüber New Atlas.
Die genauen Mechanismen, die hinter diesem neuen ultraschwarzen Material stehen, müssen noch weiter erforscht werden, aber die Wissenschaftler vermuten, dass es mit der Art und Weise zu tun hat, wie diese Wälder aus Kohlenstoffnanoröhren das Licht einfangen und in Wärme umwandeln. Auch wenn es noch weiterer Untersuchungen bedarf, um die genauen Gründe dafür herauszufinden, erregt dieses neue schwärzeste aller schwarzen Materialien bereits das Interesse bestimmter wissenschaftlicher Kreise.
Bislang hat das Team das Material als Beschichtung für einen 2-Millionen-US-Dollar-Diamanten demonstriert, wobei seine vielen Facetten und komplizierten Details durch eine leblose schwarze Leere ersetzt wurden. Die eindeutigsten potenziellen Anwendungen für diese Art von Materialien liegen jedoch im Bereich der Weltraumforschung.
Wenn Teleskope und bildgebende Instrumente auf ferne Himmelskörper gerichtet werden, um sie zu untersuchen, ist es wichtig, andere Lichtquellen auszublenden, damit sie das Sichtfeld nicht verschmutzen. Im Jahr 2016 wurde eine Version von Vantablack zu Testzwecken an Bord eines Satelliten ins All geschossen, und das am MIT entwickelte neue Material könnte einen ähnlichen Weg einschlagen. Der Astrophysiker und Nobelpreisträger John Mather ist einer derjenigen, die erforschen, wie dieses neue Material für die Konstruktion fortschrittlicher Schirme verwendet werden kann, die Weltraumteleskope vor Fremdlicht schützen.
„Optische Eigenschaften von Materialien sind nicht das Spezialgebiet meiner Gruppe, aber ich habe mit zahlreichen Wissenschaftlern über Lichtschutzanwendungen von schwarzen Materialien in optischen Instrumenten und Lasern gesprochen, insbesondere für eine verbesserte Wirksamkeit von Sternenschirmen, die bei der Identifizierung und Charakterisierung von Exoplaneten helfen“, sagt Wardle.
Eine Arbeit, die die Forschung des Teams beschreibt, wurde in der Zeitschrift ACS-Applied Materials and Interfaces veröffentlicht.