如果入射于物體表面的所有光線都被吸收，那么該物體會呈現(xiàn)絕對的黑色，此時物體具有的立體結(jié)構(gòu)無法被人眼觀測，出現(xiàn)類似黑洞的特性。能夠?qū)崿F(xiàn)這種效果的材料被稱為超黑材料（Ultrablack Materials）。一般而言，超黑材料的光吸收率可達(dá)到99.5%以上，相比于傳統(tǒng)吸光涂層有著數(shù)量級的優(yōu)勢，因此在高精密光學(xué)儀器（如航天望遠(yuǎn)鏡、光刻機(jī)）、太陽能光熱轉(zhuǎn)化材料、高性能黑體輻射源和紅外隱身等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
超黑材料的特性主要源于其特殊的納米結(jié)構(gòu)。目前報導(dǎo)的吸光性能最強(qiáng)的超黑材料是垂直碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，其半球反射率僅為0.045%。然而，這種結(jié)構(gòu)制備過程過于復(fù)雜，使用方式存在局限，難以大規(guī)模應(yīng)用。
中國科學(xué)院化學(xué)所趙寧研究員/徐堅研究員課題組在材料反射機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于碳囊泡結(jié)構(gòu)的超黑材料。該團(tuán)隊在模板法制備過程中，通過引入正硅酸乙酯（TEOS）與酚醛樹脂（RF）進(jìn)行共縮聚，經(jīng)碳化、刻蝕后形成了碳囊泡結(jié)構(gòu)（圖1）。
圖1. 碳囊泡結(jié)構(gòu)：（a）制備過程示意圖；（b）TEM照片；（c）碳囊泡所用SiO2模板反結(jié)構(gòu)的TEM照片；（d）SEM照片。
這種無序結(jié)構(gòu)的引入打破了中空碳球本身的球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，消除了光在微顆粒內(nèi)部因干涉而產(chǎn)生的反射峰，得到了具有寬譜光吸收能力的可涂覆超黑材料。隨著TEOS用量的增加，碳囊泡結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁距離增大，外壁變薄（圖2a），這導(dǎo)致其表觀密度和散射體尺寸（外壁厚度）減小，反射率逐漸降低，涂層半球反射率最低可達(dá)0.10%（圖2b）。而且，囊泡結(jié)構(gòu)中無序度的增加也導(dǎo)致了反射峰的消失。這種材料所成涂層具有較好的朗伯特性，且在紫外、可見和近紅外區(qū)較寬范圍內(nèi)都保持著較高的吸光性能，其入射角依賴反射率對波長無選擇性（圖2c），吸光能力僅次于垂直碳納米管陣列，是目前綜合性能最好的可噴涂超黑涂層材料。此外，優(yōu)異的紫外光吸收能力也使其有望被用于紫外光刻機(jī)中雜散光的消除。
圖2. （a）碳囊泡結(jié)構(gòu)隨TEOS加入量的增加形貌發(fā)生變化；（b）不同TEOS用量條件下，碳囊泡結(jié)構(gòu)的半球光譜反射率；（c）不同波長條件下，碳囊泡結(jié)構(gòu)反射率隨入射角的變化情況。
第一作者為郭靖博士的這一研究成果，日前發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909877
DOI：10.1002/adfm.201909877
