Древесину липы случайно превратили в суперчерный материал

Канадские материаловеды хотели сделать древесину гидрофобной, но вместо этого случайно превратили ее в суперчерный материал. Под действием плазменного пучка поверхность поперечных срезов древесины стала еще более пористой и оказалось, что такой материал поглощает более 99,3 процента излучения с длиной волны от 300 до 700 нанометров. Статья опубликована в Advanced Sustainable Systems.

Черными наш глаз воспринимает предметы, которые поглощают видимое излучение. Суперчерные тела с поглощением, близким к 100 процентам, требуются в различных оптических системах, от телескопов до солнечных батарей. Но добиться такого высокого поглощения непросто, особенно если принимать в расчет не только видимую часть излучения, но и ультрафиолетовую и инфракрасную. Стандартная черная краска поглощает всего лишь около 97 процентов излучения. Сажа поглощает более 99 процентов видимого излучения, но значительно слабее в инфракрасной части спектра. В поисках материалов с супервысоким поглощением ученые пробуют и параллельно ориентированные углеродные нанотрубки, и графен, и даже дорогостоящую платиновую чернь.

Тем удивительнее открытие Филиппа Эванса (Philip D. Evans) и его коллег из Университета Британской Колумбии, которые неожиданно получили суперчерный материал из обыкновенной древесины. Впервые такой результат был зафиксирован еще в 2020 году, однако полные результаты исследования с описанием структуры материала появились только сейчас.

Ученые работали с древесиной американской липы (Tilia americana) и изначально вовсе не планировали делать ее суперчерной, а собирались повысить водоотталкивающие свойства материала. Для этого древесину резали на брусочки вдоль и поперек волокон и обрабатывали высокоэнергетическим плазменным пучком.

Неожиданно для исследователей плазменный пучок с мощностью 500 ватт превратил поперечные срезы древесины в суперчерный материал, который поглощал более 99,3 процента излучения с длиной волны от 300 до 700 нанометров. При этом даже в районе красного и инфракрасного излучения (длина волны 700 нанометров и выше) доля отраженного света оставалась достаточно низкой, в то время, как у многих черных материалов отражение в этом районе резко идет вверх.

Эванс и его коллеги исследовали поверхность древесины методами сканирующей электронной микроскопии. Оказалось, что под действием плазмы пористая поверхность поперечных срезов древесины стала еще более рыхлой и рельефной. В ней появилось множество пор, выступов и спутанных волокон. Рельефные поверхности всегда поглощают свет лучше гладких: фотоны, которые отразились от одного выступа, могут поглотиться на соседнем. Обычно для создания суперчерных тел ученые стараются создавать сложное многоуровневое текстурирование, но в данном случае нужный рельеф образовался сам собой.

Авторы работы отмечают, что поглощение света оставалось высоким даже после того, как на древесину нанесли тонкий проводящий слой металла. Они полагают, что новый материал может быть востребован в оптических приборах — как сам по себе, так и в комбинации с углеродными нанотрубками и другими суперчерными красителями. В то же время доступность и невысокая цена открывают возможности и для использования «черной древесины» в дизайне и прикладном искусстве.

Материаловеды не в первый раз превращают древесину в сложные функциональные материалы. Например, 2020 году мы рассказывали о работе швейцарских и новозеландских ученых, которые сделали древесину бальзового дерева гибкой и светящейся. Они растворили содержащийся в исходном материале лигнин, пропитали целлюлозный каркас раствором люминесцентных квантовых точек, а сверху нанесли слой гидрофобного полимера.