涂上 Vantablack 的鋁箔，注意被涂黑的鋁箔的褶皺程度和沒有被涂黑的相同。圖片來源：Surrey NanoSystems

世界上最黑的黑有多黑？你可能聽說過一種名為 Vantablack 的涂料，號稱是世界上最黑的黑。涂上這種顏料的物體，黑到只剩下輪廓。不過近年來，已經有人打破了他們的紀錄，造出了比最黑還更黑的顏色。

撰文｜王昱

審校｜栗子

當一切光線都歸零時，我們便得到了黑色。理論上的純黑色會吸收 100% 的入射光，將光全部轉換成熱。就像最白的白色能通過反射光來給房間降溫那樣，完美的黑色涂料也有不少用途。最著名的可能就是哈勃空間望遠鏡了，NASA 為了避免雜光射到鏡片上干擾觀測，就給鏡筒涂上了他們能找到的最黑的涂料。

梵塔黑

既然黑色涂料有用，科學家就沒有理由不去尋找更黑的涂料。其中最有名的可能就是 Vantablack（音譯為梵塔黑）。

2014 年，Ben Jensen 公開了他發明的超黑色涂料，在 663 納米的波長上，這種材料能吸收 99.965% 的光。Ben Jensen 隨后將這一材料商業化，并將它命名為 Vantablack，其名稱來源于其特殊的結構 " 垂直排列碳納米管陣列 "（ Vertically Aligned NanoTube Arrays，Vanta）。

傳統的黑色材料最多只能吸收 90% 的光線，而這種結構能讓入射光在微觀結構間來回反射，最終被完全吸收——就像一整塊金屬可以反射光（想想古代的青銅鏡），而金屬在磨成粉之后卻是黑色的。極端的黑色，本質上都是用材料的微觀結構實現的。

為了實現 Vantablack 的微觀結構，Ben Jensen 用化學氣相沉積法（CVD）制造這種材料。不清楚是否是因為這個原因，商業化后，這種涂料的價格仍然十分昂貴——貴到根本沒有賣給私人的計劃。

當涂料黑到能吸收 99.965% 的入射光時，它就能帶來很多意想不到的視覺效果。當人們把 Vantablack 涂到雕塑上，雕塑上的任何結構結構、起伏都將消失，只留下了一個輪廓。英國雕塑家 Anish Kapoor 甚至因此直接買斷了 Vantablack 的藝術使用權。

但王權沒有永恒，Vantablack 也不會永遠霸占 " 最黑 " 的寶座。2019 年，麻省理工學院的科學家就宣稱，他們制造了比 Vantablack 還黑 10 倍的材料——意味著這種材料能吸收 99.995% 的入射光。

新材料團隊利用新的最黑涂料制造的藝術品《虛榮的救贖》，右側是寶石涂上最新黑色材料的視覺效果。圖片來源：Diemut Strebe

困住光線

對于最白的白，接近 100% 的反射率就是它最首要的特征。而 Vantablack 之類的碳納米管涂料只是在顏色上實現最黑，在吸收這些光線之后，它只是把光能轉換成了熱能。今天有很多設備需要吸收盡可能多的光才能達成最佳效果，比如相機的光線傳感器和太陽能電池板等。為了讓設備實現最高的工作效率，它們往往被設計的很薄，但材料本身的光吸收率又算不上很高。如果我們能讓原本沒那么黑的太陽能板、光線傳感器變得更黑，吸收更多光，就能提升這些設備的工作效率。

顯然，給太陽能板表面刷上一層黑色涂料不僅不能達成這種目的，反而會因為黑色涂料擋住了光，太陽能板完全無法發電（換成光線傳感器則是沒有信號）。十幾年前，美國耶魯大學的一群科學家就在糾結這個問題，他們在想如何才能讓原本光吸收率不高的材料吸收更多的光。而在這個過程中，激光的產生過程給了他們靈感。

激光器中最主要的三個結構是泵浦源、增益介質和諧振腔。泵浦源會將增益介質中的電子激發到高能態，增益介質中的電子達到高能態后會自發輻射出光子。而這些光子一旦撞上其他高能態電子，就會誘導它向低能態躍遷，并釋放出一個頻率、相位、方向完全相同的光子，這被稱為受激輻射，而它又能激發出更多完全一樣的光子。而諧振腔則是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射半透射。這些光子在諧振腔的兩面鏡子間來回反射，每經過增益介質一次，激光就增強一分，最終從半反射半透射鏡子那頭射出的就會是亮度極高的光子束。

氦 - 氖激光器，中間閃光的部分就是增益介質，激光在其中不斷反射得到增益，最終射到了紙上。圖片來源：David Monniaux

如果把這個過程反過來，把增益介質換成吸收介質，再把光路反過來，讓光束射到激光器里，不就能讓光在不斷反射之間被完全吸收嗎？2010 年，耶魯大學的科學家真的實現了這種結構，并將其稱為完美的光吸收器。相關論文發表在《物理評論快報》上。

但是，這種結構并不完美。因為光線是通過一面半反射半透射的鏡子射入諧振腔的，在光線剛開始射入諧振腔時，就有一部分光被反射掉了。之后，諧振腔里的光每接觸到這面鏡子一次，就會有一部分光線漏出來。

原本的光吸收器是不完美的，每次反射都會有一些光漏出來。圖片來源：Science 377, 995 – 998 ( 2022 )

上個月，奧地利維也納工業大學和以色列耶路撒冷希伯來大學的科學家修復了這個漏洞，并將相關論文發表到了《科學》雜志上。他們設計的結構和原先的光吸收器基本相同，只是在其中加入了一組透鏡結構。這組透鏡結構能讓入射光線沿著特定的路徑返回，在抵達光線射入的那面鏡子上時，它會和剛開始的反射光線重合，并產生相消干涉，抵消所有反射光。

新的光吸收器能通過干涉抵消反射光，從而吸收更多光線。圖片來源：Science 377, 995 – 9（2022）

這樣，就沒有光線能射出去了，所有光線都會在來回反射中被吸收介質所吸收。研究人員表示，就算吸收介質原本只能吸收 15% 的入射光，這種結構最終也能讓它吸收至少 94% 的光，在某些方向上，甚至能吸收 98% 的光。

雖然和黑色涂料 99.995% 的吸收率還是沒法相提并論，但這種光吸收結構的使用價值則要高很多。光傳感器、光學計算都需要提升特定結構的光吸收率，盡可能把微弱的光信號轉換電信號等信息。

在這場比誰更黑的競賽中，天文學家是不敗的贏家。不管兩種技術路線的目的是什么，他們都可以享受技術進步帶來的好處，他們可以用黑色涂料消除不必要的散射光，避免雜光干擾；也能用光吸收結構讓光傳感器吸收盡可能多的光，實現更好的觀測效果。

畢竟，這個地球上可能沒人比天文學家更渴求黑夜了。