客观日本

日本机构开发出能吸收所有光线的超级黑膜

2019年05月15日 化学材料
日本语

日本产业技术综合研究所与日本量子科学技术研究开发机构合作,开发出了能通过微细的表面结构吸收所有光线的“超级”黑膜。

表面制成黑色的材料在装饰及影像领域等拥有广泛的用途,尤其是防止漫反射的用途,需要使用光吸收率接近100%的材料。但以往那些能吸收99%以上光的材料缺乏耐久性,难以在普通环境下使用。

此次,研发小组通过在硅橡胶等的表面形成能捕获所有光的光密封结构,成功开发出了柔软且耐久性优异的超级黑膜制造技术。作为技术核心的光密封结构是利用回旋加速器的离子束照射和化学蚀刻、在聚合物表面形成大量微细的锥形腔结构而实现的。

将这种结构转印到硅橡胶上制作的黑膜,在紫外线、可见光及红外线等所有波长范围均能吸收99.5%以上的光,其中,对热红外线的光吸收率达到99.9%以上,为全球最高水平。这种黑膜能映衬出前所未有的黑色,也可用于提高影像对比度,此外还有望用来防止热成像等的热红外线漫反射。

日本机构开发出能吸收所有光线的超级黑膜

图1:此次开发的超级黑膜以及其表面的微细锥形腔结构的电子显微镜图像

图1左图是在材料表面的微细锥形腔结构中封闭光的原理。光射入微细的锥形腔之后,会在壁面多次反射,最终净反射率降到接近零的水平,因此光吸收率接近100%。这一原理与黑体腔相同。要想利用微细的空腔结构实现接近100%的光吸收率,需要使腔壁大幅倾斜,同时使其表面的光滑程度达到纳米级,而且锥形腔结构的顶部需要足够尖锐。另外,要想吸收紫外线、可见光及红外线范围的所有波长的光,空腔的深度需要超过最大波长,达到数十微米。

日本机构开发出能吸收所有光线的超级黑膜

图2:(左)光被封入表面微细的锥形腔结构中的原理 (右)黑膜的制作方法

上述超精密的空腔结构无法利用普通的微细加工技术制作。此次,研发小组利用回旋加速器发射的离子束,制作出了这种高难度的结构。具体方法是,首先向树脂基板照射离子束,形成高分子切割痕迹,然后利用化学蚀刻法将该痕迹扩大并形成锥形孔。基板采用均质非晶质树脂(CR-39树脂)材料,这种树脂具有蚀刻处理后的表面粗糙度非常低的特点,最终实现了与设计完全相同的精巧的微细空腔结构。不过,CR-39树脂材料本来是无色透明的,直接使用的话不会形成黑色材料。另外,很难直接在其他材料上高精度实施相同的加工。

因此,为了利用其他黑色材料制作黑膜,研发小组开发了转印微细空腔结构的方法(图1右)。此次利用形成了微细空腔结构的CR-39树脂基板为底版,将微细结构转印到了混有碳黑的硅橡胶表面。并确认,这样制成的橡胶膜对于紫外线、可见光及红外线等所有波长范围的光均能吸收99.5%以上,实现了“超级黑膜”(图2)。其中,在热红外线波长范围更是获得了99.9%以上的光吸收率,为世界最高水平。

日本机构开发出能吸收所有光线的超级黑膜

图2:此次制作的黑膜及其光吸收率的波长特性

新制作的黑膜保持了硅橡胶的柔软性,即使弯折、触摸或者贴上胶带再揭下来,性能也不会劣化,能维持非常高的光吸收率。这是全球首次开发出兼具耐久性和极高的光吸收率的黑色材料。

相关论文已于2019年4月23日发表在英国皇家化学学会的学术期刊《Journal of Materials Chemistry C》的网络版上。(日文发布全文)

文:JST客观日本编辑部

专题网页