Райская птица подарила инженерам идею самой черной ткани
Ультрачерный цвет — который определяется как отражающий менее 0,5% падающего света — имеет широкий спектр применений: от фотоаппаратов и солнечных панелей до телескопов. Однако его сложно производить, и под углом он может казаться не таким черным.
Инженеры-материаловеды из Корнеллского университета разработали простой метод получения этого труднодостижимого оттенка, о чем рассказали в журнале Nature Communications.
Вдохновившись природой, а именно насыщенным черным оперением великолепной щитоносной райской птицы Ptiloris magnificus, исследователи из Лаборатории адаптивного дизайна одежды (RAD) при Колледже экологии человека (CHE) окрасили вязаную ткань из белой шерсти мериноса полидофамином, а затем обработали материал в плазменной камере. В результате на поверхности образовались нановорсинки — микроскопические игольчатые структуры. Они имитируют светопоглощающие свойства ультрачерных перьев райской птицы, которые поглощают большую часть падающего на них света.
Двухэтапный метод позволил создать самую черную ткань из известных на сегодня. Она проста в производстве, которое легко масштабировать, пригодна для носки, а а цвет не меняется в зависимости от угла обзора. Исследователи подали заявку на патент и планируют создать компанию для внедрения процесса, который применим к натуральным материалам, таким как шерсть, шелк и хлопок.
«С дизайнерской точки зрения это захватывающе, ведь существующие ультрачерные материалы часто не так практичны в носке, как наш. К тому же, наш материал остается ультрачерным даже под большим углом», — говорит заведующая RAD Lab Ларисса Шеперд, возглавлявшая исследование.
Вдохновение природой и технический процесс
В работе исследователи проанализировали перья райской птицы, любезно предоставленные коллегами из Орнитологической лаборатории Корнелла. Радикально черный окрас P. magnificus обусловлен комбинацией меланина и плотно сгруппированных бородок пера, которые направляют свет внутрь, почти полностью поглощая его. Это делает птицу невероятно черной, но только при прямом взгляде; под углом ее оперение кажется блестящим. Аналогичная окраска встречается у других существ, включая рыб и бабочек.
В качестве красителя авторы разработки выбрали полидофамин.
«Полидофамин — это синтетический меланин, а меланин как раз и есть у этих созданий. При этом у славки присутствуют еще и интересные иерархические структуры — бородки — вместе с меланином. Мы хотели объединить эти аспекты в текстиле», — объясняет Шеперд.
Просто покрыть поверхность шерсти было недостаточно: необходимо было, чтобы полидофамин проник внутрь волокон ткани, окрасив каждую ее частицу. Это важно, потому что плазменное травление удаляет часть материала с поверхности внешних волокон, оставляя после себя игольчатые нановорсинки — ключевой компонент.
«Свет, по сути, многократно отражается между ворсинками, вместо того чтобы выйти наружу — это и усиливает эффект ультрачерного», — рассказывает соавтор иследования Хансади Джаямаха из RAD Lab.
Характеристики и потенциальное применение
Анализ показал, что разработанная ткань имеет среднее полное отражение всего 0,13%, что делает ее самой черной из задокументированных. Кроме того, она сохраняет ультрачерный цвет в угловом диапазоне 120 градусов, то есть выглядит одинаково как при прямом взгляде, так и под углом до 60 градусов, превосходя существующие коммерческие аналоги.
Благодаря эффективному поглощению света у ультрачерной ткани большой потенциал для различных применений с использованием этого свойства, полагает Кюин Пак, еще один соавтор: «Ее можно использовать, например, для терморегулирующего камуфляжа».
