Advanced Functional Materials:基于碳囊泡结构的可涂覆超黑材料

如果入射于物体表面的所有光线都被吸收,那么该物体会呈现绝对的黑色,此时物体具有的立体结构将无法被人眼观测,出现类似黑洞的特性。能够实现这种效果的材料被称为超黑材料(Ultrablack Materials)。一般而言,超黑材料的光吸收率可达到99.5%以上,因此在高精密光学仪器、光热转化材料、黑体辐射和红外隐身等方面有着广阔的应用前景。超黑材料的特性主要源于其特殊的纳米结构,目前报导的吸光性能最强的超黑材料是垂直碳纳米管阵列结构,其半球反射率仅为0.045%。然而,这种结构制备过程过于复杂,使用方式上存在较大的局限,难以规模应用。

针对这一问题,中国科学院化学所赵宁研究员/徐坚研究员课题组在材料反射机理研究的基础上,设计了基于碳囊泡结构的超黑材料。在模板法制备过程中,通过引入正硅酸乙酯(TEOS)与酚醛树脂(RF)进行共缩聚,经碳化、刻蚀后形成了碳囊泡结构,由于其低表观密度和小散射体尺寸,这种材料具有低的半球反射率和强的光吸收能力。同时,无序结构的引入打破了中空碳球本身的球对称结构,消除了光在微颗粒内部因干涉而产生的反射峰,得到具有宽谱光吸收能力的超黑材料。该碳囊泡可分散于溶剂中,通过常规的涂覆方法在多种基底上,涂层半球反射率最低可达0.10%。同时,该涂层具有较好的朗伯特性,其入射角依赖反射率而对波长无选择性,且在紫外、可见和近红外区较宽范围内都保持着较高的吸光性能,是目前综合性能最优异的可喷涂超黑涂层材料。