光學(xué)儀器種類眾多，其核心部件為感光器件。該器件原理類似于人類的眼睛，接受物體表面反射出的光線進(jìn)而實現(xiàn)對物體的觀測。光線與物體發(fā)生作用，部分能量被吸收或透過，部分能量被反射或散射，從而形成了物體的顏色。精密的光學(xué)儀器，為了實現(xiàn)對目標(biāo)物體的精確觀測，必須有效屏蔽外界環(huán)境中的干擾光線。由于黑色物質(zhì)對光的吸收較為廣泛，所以精密的光學(xué)儀器多數(shù)為黑色。

圖 1 生活中常見的光學(xué)儀器多為黑色（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）

　　越是高端的光學(xué)儀器，對于儀器的靈敏度要求越高，也就要求其能夠精確的識別目標(biāo)光學(xué)信號并屏蔽外界環(huán)境的其他信號及儀器本身產(chǎn)生的光學(xué)信號。以光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡為例：自 1609 年伽利略開始用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測天體以來，各式天文望遠(yuǎn)鏡性能不斷提高，成為探索宇宙奧秘的重要手段。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是除射電望遠(yuǎn)鏡之外，應(yīng)用最廣泛的天文望遠(yuǎn)鏡，通過不同光學(xué)波段的觀測可獲得不同的天文學(xué)數(shù)據(jù)。

　　其中，紅外波段的觀測是目前光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的研究重點。但由于地球大氣的吸收和散射，導(dǎo)致地面的紅外觀測只局限于幾個近紅外窗口，為獲得更豐富的紅外波段信息，就必須進(jìn)行空間紅外觀測。但是，空間紅外天文望遠(yuǎn)鏡處在工作狀態(tài)時，其內(nèi)部元器件在工作時會產(chǎn)生熱量，由此產(chǎn)生的微量紅光線會干擾儀器對于空間目標(biāo)紅外波段的觀測。為此，有必要將儀器本身產(chǎn)生的光學(xué)干擾吸收，以提高望遠(yuǎn)鏡對于有用信號的靈敏度。

　　

圖 2 NASA 于 1990 發(fā)射的哈勃天文望遠(yuǎn)鏡（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）

　　當(dāng)然，對于雜質(zhì)光源的屏蔽不僅僅是天文望遠(yuǎn)鏡的需求，所有精密的光學(xué)儀器，都需要屏蔽無關(guān)的光學(xué)干擾。當(dāng)然，除此之外，太陽能電池也需要增強(qiáng)對于特定光源的吸收，以提高能量轉(zhuǎn)換效率。

圖 3 常用的光學(xué)儀器及太陽能電池板（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）

　　所以吸光材料的研究與應(yīng)用就十分必要。如前所述，當(dāng)光線與物體發(fā)生作用時，部分能量被物體吸收，部分未被吸收的能量被反射、散射或透射，影響我們所觀察物體的顏色。但所有可見光都被物體吸收時，則物體表現(xiàn)為黑色，所以黑色的物質(zhì)通常具有更廣的吸光范圍。同時，需要一種技術(shù)可以在儀器內(nèi)部不同材質(zhì)的表面制備涂層，以便長效地屏蔽干擾信號。

　　近期，中科院寧波材料所先進(jìn)涂層與增材制造技術(shù)團(tuán)隊經(jīng)過多年研究，成功開發(fā)出一種超黑涂層。經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，200nm-25μm波段吸光率高達(dá) 99%。該涂層可在多種基材表面沉積，同時可實現(xiàn)大面積批量制備，而且可適應(yīng)高溫、低溫、真空、液體等極端服役環(huán)境。除了空間探測之外，該涂層有望應(yīng)用于所有光學(xué)信號調(diào)制領(lǐng)域，包括數(shù)碼攝像機(jī)、太陽能電池、建筑隔熱保溫、視覺藝術(shù)設(shè)計等領(lǐng)域。

　　圖 4 中科院寧波材料所先進(jìn)涂層與增材制造團(tuán)隊制備的吸光涂層

　　說完正經(jīng)的科學(xué)問題，再來看看科學(xué)與藝術(shù)的碰撞，會產(chǎn)生怎樣的火花。最近首張黑洞照片發(fā)布引發(fā)關(guān)注，網(wǎng)絡(luò)上的各種黑洞創(chuàng)意照片更讓人捧腹。而早在去年，一場藝術(shù)設(shè)計的“視覺黑洞”則更有趣味。

　　據(jù)葡萄牙《公報》報道，一件藝術(shù)品名為“墜入地獄”（Descent into Limbo）的作品在葡萄牙波爾圖塞拉維斯博物館展出，引爆國外網(wǎng)絡(luò)。參觀者首先需要進(jìn)入一個立方體形狀的建筑，然后就能在地板中間看到這個圓形的洞。洞的通體被漆成黑色，給人一種看不出深度的錯覺。雖然展品周圍被貼上了一些警告標(biāo)示，工作人員也時常提醒游客不要靠得太近，但在最近幾次展出中，還是有很多人表示不信，覺得這就是個用黑色顏料畫出的圈。

　　真實情況是，它足足有 8 英尺（約 2.43 米）之深！

圖 5 葡萄牙波爾圖塞拉維斯博物館的一件名為“墜入地獄”的展品（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）

　　實際上，洞壁上涂覆有英國某納米技術(shù)公司研發(fā)的材料，常溫下本體不發(fā)射可見光，而且能吸收高達(dá) 99.965% 的可見光當(dāng)光線入射到該物體表面時，幾乎不會反射出去，而是會局限于管壁之中不斷偏折，直到最后轉(zhuǎn)換成熱能為止，它有望被選為新一代太空望遠(yuǎn)鏡的涂料。

　　除了空間探測、精密儀器、超黑暗室、光伏組件之外，該涂層有望應(yīng)用于所有需要光學(xué)信號調(diào)控的領(lǐng)域，包括衛(wèi)星光學(xué)定位、數(shù)碼攝像機(jī)、建筑隔熱保溫、視覺藝術(shù)設(shè)計等領(lǐng)域。未來，更多潛在的應(yīng)用有望繼續(xù)被開發(fā)出來，將是一個空間廣闊的藍(lán)海。看完這種超黑涂層的介紹，有沒有激發(fā)你的想象空間？

　　來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所

總結(jié)

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