最初的 Vantablack 塗層，由英國公司 Surrey NanoSystems 於 2014 年建立。（圖片來源：Surrey NanoSystems）

有黑色，然後是超黑：一種比黑色更黑的顏色，可吸收高達 99.9% 的光。一些蛇類和深海魚類進化出這些超黑色鱗片來偽裝它們在黑暗環境中的活動，而孔雀蜘蛛和某些天堂鳥則將這種顏色與更鮮豔的色調相結合，用於引人注目的求愛儀式。

斯坦福大學生物光子學博士後研究員 Dakota McCoy 說，這些生物適應性——比如一些天堂鳥如何利用它們吸光的羽毛將稱為光子的粒子轉化為熱能——可以作為新技術的靈感來源。“工程師非常聰明，他們製造了很棒的裝置，但大自然有一些很酷的技巧，”麥考伊說。“我們可以看看這些鳥類和這些蜘蛛，並嘗試從能夠很好地吸收光線的彈性、耐候材料中獲得靈感。例如，正在研究 [孔雀] 蜘蛛用於製造新的太陽能電池板塗層。”

事實上，十多年來，科學家們一直在尋找他們自己的、改進版的超黑材料——但不是為了求愛儀式。能夠吸收 99.9% 以上光的材料可以增加太陽能技術中的熱量吸收，或用於軍事應用，如熱偽裝。它們還被用於太空，防止雜散光進入望遠鏡並改進專注於地球輻射預算的紅外感測器。但是這些材料到底能黑到什麼程度呢？

大極品天堂鳥。（來源：Natasha Baucas/CC BY-SA 2.0/Flickr）

黃金標準

自史前時代以來，人類就使用炭黑，傳統上透過燒焦象牙、骨頭或葡萄藤和莖製成的顏料。藝術家倫勃朗和約翰內斯·維米爾等人在許多著名畫作中使用了炭黑。美國天文學家塞繆爾·皮爾龐特·蘭利( Samuel Pierpont Langley ) 在 1870 年代使用煤氣燈的煙塵製作了第一個輻射熱計（一種透過變黑金屬條的溫度上升測量太陽輻射的儀器）。

源自金、銀和鎳的金屬黑後來出現，今天科學家仍在使用。“[金黑] 是蓬鬆的，因為缺乏更復雜的表達方式，”美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的物理學家 John Lehman 說，他在 80 年代開始用金黑製造探測器。“在低壓氮氣環境中蒸發是黃金，如果條件恰到好處，這非常類似於人行道上的雪。”

當雪落在溫暖的人行道上時，它就會變成溼漉漉的爛攤子。但是當雪發現自己在寒冷的人行道上時，它更容易積聚——形成一種類似於天堂鳥的超級黑色羽毛的“蓬鬆”結構。在最終被吸收之前，光子以幾乎相同的方式在金屬黑的微觀結構周圍發出嘎嘎聲。

不斷增長的奈米管森林

2004 年左右，雷曼兄弟開始研究金屬黑的新替代品：碳奈米管、碳原子圓柱體或石墨。這些管子的直徑最多為 100 奈米，比人的頭髮還要細 1,000 多倍。“如果奈米管是一根電線杆，那它就是一根直徑一英尺、長三英里的電線杆，”雷曼說。為了製造它們，科學家們在無氧爐中用金屬（如鐵）烹製石墨。隨著石墨加熱，它會在向上構建之前沉入金屬提供的環狀模板中。

碳奈米管是迄今為止發現的最堅固、最堅硬的材料之一，但這並不是雷曼兄弟和其他研究人員在尋找最黑的黑色時轉向它們的唯一原因。它們也可以透過光刻方式生長，這意味著研究人員可以將它們準確放置在需要的地方，並在達到所需高度時停止生長。“在過去，金黑色——雙關語——是一種黑色藝術，”雷曼說。“要讓‘人行道’的溫度保持在合適的水平，以及諸如此類的事情，這真的很難做到。所以我們真的覺得這更像是一門科學而不是一門藝術。”

當排列在適當間隔的“森林”中時，碳奈米管會變得更黑。Lehman 和他在 NIST 的同事們種植了每平方釐米含有約 10 億個奈米管的低密度森林。這聽起來可能很多，但事實並非如此。與管子的大小相比，這些管子非常薄——大約 400 到 700 奈米，足夠可以捕獲光子而不是讓它們立即反彈。

讓軍備競賽開始

在過去的幾年裡，許多公司和機構都開發了自己的使用碳奈米管的超黑材料。每個的效率取決於奈米管森林的最終高度、密度和分佈。據其網站稱，由英國薩里奈米系統公司建立的Vantablack “保持著獨立驗證的最黑暗人造物質的世界紀錄”。這也是大多數人所熟悉的超黑材料，這要歸功於對顏料的藝術訪問引發的全面戰爭。雷曼說，薩里版本的材料更像是一張奈米管圖，而不是一片森林。“他們設法使這種塗料的密度非常低，並去除了粘合劑，使其看起來更像棉花糖。”

2019 年麻省理工學院推出了一個更新版本。在這種情況下，研究人員從已經有點粗糙的金屬模板開始。當奈米管生長時，它們的高度不一致——增加了額外的粗糙度。這種超黑材料在紐約證券交易所的一場名為“虛榮的救贖”的藝術展上亮相，其中包括一顆價值 200 萬美元的天然黃色鑽石，上面塗有碳奈米管，直到它在人眼看來是二維的空白。

德國藝術家 Diemut Strebe 《虛榮的救贖》。（來源：AnugrahSamMathew1840429/CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons）

雷曼兄弟說軍備競賽沒有結束的跡象：“我的職業生涯始於製造黑色塗料，我們已經這樣做了 15 年多了。我認為這將不斷地在你可以製造出多黑和實際應用之間進行權衡。” 他說，儘管有說法，但哪種材料是真正最黑的黑色仍有爭議。但有一點很清楚：每個人都吸收了大量的光（高達 99.9%）並且不僅限於可見光。

紅外線……及其他

碳奈米管即使在可見光範圍之外也能吸收波長的光，包括紅外線和遠紅外線。這使得它們可以用於各種感測器和探測器——尤其是在太空中。

2018 年，科羅拉多大學博爾德大學大氣與空間物理實驗室 (LASP) 發射了一顆名為Compact Spectral Irradiance Monitor的衛星，用於測量太陽的亮度。它採用由碳奈米管制成的光吸收器設計，比其前輩具有更高的靈敏度和更寬的波長範圍。LASP 很快將與 NASA 合作進行一項耗資近 1.3 億美元的任務，稱為Libera，以記錄每天有多少能量進入和離開我們星球的大氣層。當涉及到地球氣候如何隨時間演變時，這是至關重要的資訊。

“花費了數百萬美元，但歸根結底是望遠鏡底部的一個微型探測器，上面有碳奈米管，告訴我們溫度是多少，”雷曼說。“這是我非常興奮的事情。”