MIT-Forscher stolpern über Material 17.09.2019, 13:03 Uhr

Schwärzestes Schwarz kann Dinge verschwinden lassen

Ob Kunst, Autolack oder optische Instrumente – Anwendungen gibt es bereits viele für das gerade erst entdeckte schwärzeste Schwarz der Welt. MIT-Forscher haben mit dem neuen mantelähnlichen Material einen Absorptionsgrad von 99,995 % erreicht und schlagen damit sogar Vantablack.

Foto: R. Capanna, A. Berlato & A. Pinato

Foto: R. Capanna, A. Berlato & A. Pinato

Ganz aus Versehen haben Ingenieure am MIT (Massachusetts Institute of Technology) ein besonderes Material entwickelt. Dieses ist so schwarz, dass es mehr als 99,9 % des einfallenden Sonnenlichts absorbiert. Dadurch konnten die Ingenieure diverse Gegenstände in dem schwarzen Material verstecken und verschwinden lassen. In diesem Fall fungierte es als eine Art Mantel. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften ist es für das menschliche Auge so gut wie unmöglich, in ihm versteckte Gegenstände zu sehen oder zu identifizieren.

Schwärzestes Schwarz war eine Zufallsentdeckung bei CNT-Aufbau

Die beiden MIT-Ingenieure Brian Wardle und Kehang Cui wollten ursprünglich kein neues Material entwickeln. Sie experimentierten mit unterschiedlichen Möglichkeiten, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) auf speziellen, elektrisch leitfähigen Materialien wie Aluminium anzubauen. Damit wollten sie die thermischen und elektrischen Eigenschaften verbessern. Bei dem Versuch, CNTs auf das Aluminium aufzubauen, stieß Cui wortwörtlich auf eine spezielle Barriere: Eine allgegenwärtige Oxidschicht hatte das Aluminium beschichtet, sobald es an die Luft kam. Diese Schicht fungiert wie ein Isolator, der sowohl Wärme als auch Strom blockiert und dazu nicht leitet. Als Cui nach geeigneten Möglichkeiten suchte, um die Schicht vom Aluminium zu entfernen, fand er eine passende Lösung in Natriumchlorid.

Die Forschungsgruppe von  Wardle verwendete zu dieser Zeit Salz, Waschmittel und Backpulver, um die Kohlenstoff-Nanoröhrchen anzubauen. Cui konnte in mehreren Tests mit dem Salz feststellen, dass die Chloridionen auch die Oberfläche des Aluminiums angreifen und die Oxidschicht auflösen. Laut Cui kommt dieser starke Ätzprozess bei vielen unterschiedlichen Metallen zum Einsatz. Ein gängiges Beispiel sind Schiffe, die sich durch die Korrosion im chlorhaltigen Salzwasser (Meerwasser) nach und nach zersetzen.

Optischer Absorptionsgrad von 99.995 %

Bei weiteren Tests fand Cui heraus, dass er die Oxidschicht der Aluminiumfolie entfernen konnte, indem er die Folie in Salzwasser eintauchte. Danach überführte der MIT-Ingenieur die Folie in eine Umgebung ohne Sauerstoff, um die Reoxidation zu verhindern. Im Anschluss daran stellte Cui das geätzte Aluminium in einem großen Ofen. In dem speziellen Ofen wurden verschiedene Techniken zur Herstellung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen durchgeführt, etwa die chemische Dampfabscheidung. Nach dem Entfernen der Oxidschicht ließen die MIT-Forscher die Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf dem Aluminium bei einer Temperatur von rund 100 Grad wachsen – also deutlich geringer als üblich. Durch diese Kombination verbesserten sich die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Materials deutlich. Ein solches Ergebnis wurde von den Forschern erwartet. Was die MIT-Ingenieure jedoch überraschte, war die besondere Farbe des Materials.

Laut den Aussagen von Cui bemerkte er bereits vor dem Aufbau der Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wie schwarz das Material war. Nach dem Wachstum sah das Material für Cui nochmals dunkler aus. Aufgrund seiner großen Überraschung entschloss sich der Ingenieur dazu, den optischen Absorptionsgrad messen zu lassen. Der MIT-Ingenieur maß die Menge des Lichts, die von dem entdeckten Material reflektiert wurde. Die Messung erfolgte von allen möglichen Seiten und Winkeln aus. Die Ergebnisse waren mehr als überraschend, denn das schwarze Material absorbierte über 99,995 % des Lichts. Im direkten Vergleich zu allen anderen schwarzen Materialien (einschließlich Vantablack) reflektiert das zufällig entdeckte Material 10 Mal so wenig Licht. Würde das Material spezielle Merkmale, wie Grate oder Unebenheiten enthalten, wären diese, egal aus welchem Winkel, unsichtbar und würden sich in einer tiefschwarzen Leere befinden. Die Ingenieure sind sich noch nicht zu 100 % sicher, ob dieser Mechanismus zu der Lichtundurchlässigkeit (Opazität) des entdeckten Materials beiträgt.

Woraus besteht das CNT-Material?

Das zufällig entdeckte Material wurde von den Forschern auf einer chlorgeätzten Folie aus Aluminium gezüchtet. Das schwärzeste Schwarz besteht hauptsächlich aus den Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs). Die mikroskopisch kleinen Filamente bestehen aus Kohlenstoff und besitzen eine mesh-ähnliche Struktur. Auf den chlorgeätzten Aluminiumfolien wuchsen die Kohlenstoff-Nanoröhre wie ein riesiger, dichter Wald, der aus vielen winzigen Bäumen besteht. Das CNT-Material ähnelt von seinen optischen Eigenschaften her dem Material „Vantablack“. Dieses wurde vor mehreren Jahren von Surrey NanoSystems entwickelt und absorbiert über 99,965 % des Lichts. Der deutsche Automobilbauer BMW verwendet Vantablack als Autolack seines X6, der gerade auf der IAA vorgestellt wird.

Mantelähnliches Material an der New Yorker Börse ausgestellt

Die Ingenieure am MIT haben die Ergebnisse ihrer zufälligen Entdeckung in der Zeitschrift „ACS-Applied Materials and Interfaces“ veröffentlicht. Zusätzlich präsentierten sie das mantelähnliche Material als wichtigen Teil einer neuen und besonderen Ausstellung an der New Yorker Börse unter dem Namen „The Redemption of Vanity“. Das Kunstwerk wurde von Diemut Strebe in Zusammenarbeit mit Brian Wardle, dem MIT-Professor für Luft- und Raumfahrt, seiner Gruppe und dem MIT-Center für Kunst, Wissenschaft und Technologie konzipiert. Es zeigt einen gelben Naturdiamanten mit 16,78 Karat, der knapp 2 Millionen US-Dollar wert ist und mit einem speziellen CNT-Material beschichtet wurde. Der optische Effekt ist überaus fesselnd: Der Diamant ist für gewöhnlich brillant facettiert, durch das CNT-Material sieht er jedoch wie eine flache, schwarze Lücke aus.

Schwarzes Material für Autoindustrie und Raumfahrtfirmen

Die MIT-Forscher haben für ihr zufällig entdecktes Material ein Patent angemeldet. Künstler können das neu entdeckte CNT-Verfahren in einem nichtkommerziellen Rahmen frei verwenden. Genau wie Vantablack eignet sich das CNT-Material als Autolack und kann in vielen anderen Industrien nützlich sein. So bekundet etwa die Luft- und Raumfahrtindustrie großes Interesse an dem besonders schwarzen Material. Der Astrophysiker John Mather untersucht die Möglichkeiten, das Material als neue Grundlage für eine neue Art von Sternenhimmel zu nutzen. Ein solcher massiver schwarzer Schirm könnte beispielsweise ein Weltraumteleskop vor schädlichem Streulicht schützen. Das Material könnte laut Mather für viele optische Instrumente (Teleskope und Kameras) verwendet werden und würde sämtliche unerwünschten Blendungen beseitigen. Mather ist der festen Überzeugung, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie ein überaus schwarzes Material benötigt. Dieses sollte allerdings hart genug sein, um dem Raketenstart standhalten zu können.

Von ingenieur.de
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