دانشمندان رنگ خودرویی ساخته اند که چنان سیاه است که شبیه به حفره ای در واقعیت به نظر می رسد!
به گزارش وبلاگ 8 شارژ، تصور کنید در خیابانی شلوغ قدم می زنید و ناگهان چشمتان به جسمی می افتد که گویی تکه ای از فضا در آن بریده شده ؛ جسمی که هیچ حجمی ندارد و تنها یک حفره مطلق و تهی در میان واقعیت به نظر می رسد. این تجربه غریب، دقیقا همان حسی است که تماشای خودروهای پوشیده شده با فناوری های نانو در بیننده ایجاد می نماید، جایی که نور در تله ای ابدی گرفتار می گردد. در سال های اخیر، کوشش برای رسیدن به سیاه ترین حالت ممکن به یک رقابت علمی و هنری تبدیل شده است که مرزهای درک بصری انسان را جابه جا می نماید.
محققان به تازگی پیروز شده اند با ترکیب نانولوله های کربنی، پوششی ابداع نمایند که مرز میان یک جسم سه بعدی و یک خلاء بی خاتمه را از بین می برد. این فناوری پوشش های فوق مشکی و رنگ های جاذب نور در صنعت خودرو نه تنها یک جهش در زیبایی شناسی لوکس محسوب می گردد، بلکه دریچه ای رو به کاربردهای نظامی و فضایی پیچیده گگردده است.
در این نوشتار، به آنالیز این دستاورد علمی می پردازیم که چگونه علم شیمی توانسته است نگاه ما به مفهوم رنگ و نور را برای همیشه تغییر دهد.
01
تکنولوژی جذب نور در پوشش های نوین نایپسیا
محققان شرکت سنگاپوری نایپسیا (Nipsea) پیروز به فراوری پوشش فوق مشکی نوی شده اند که به طور میانه 99.9 درصد از تمام طول موج های نور مرئی را جذب می نماید. این دستاورد یادآور فناوری مشهور ونتابلک است که پیش از این در خودروهای کانسپت بی ام و استفاده شده بود و باعث می شد
سطوح پوشانده شده با آن، ویژگی های ظاهری خود را در نگاه چشم انسان از دست بدهند. در واقع، مغز انسان در مواجهه با چنین سطحی، آن را به عنوان یک جسم سه بعدی شناسایی نمی نماید بلکه آن را مشابه خیره شدن به یک سیاهچاله یا خلأ مطلق تفسیر می نماید. اگرچه ونتابلک به علت چالش های پایداری هیچ گاه به فراوری انبوه در صنعت خودرو نرسید، اما نایپسیا با رویکردی مقاوم تر وارد میدان شده است. آن ها با تمرکز بر بازارهای خودروهای لوکس که تمایل شدیدی به رنگ های عمیق و خاص دارند، ترکیبی را توسعه داده اند که علاوه بر تیرگی خیره نماینده، دوام بالایی در شرایط محیطی دارد.
02
ساختار مولکولی و جادوی نانولوله های کربنی
راز پیروزیت این پژوهش در بهره گیری از یک تعامل طبیعی بین کربن بلک و نانولوله های کربنی (CB-CNT) نهفته است که به آن تعامل پی گفته می گردد. این پدیده به ذرات اجازه می دهد تا در ساختاری موسوم به اتصال نقاط درون مخلوط رنگ در یک صف قرار بگیرند. تیم پژوهشی در مقاله ای که در نشریه متر اند لایت منتشر شده، شرح داده که این ترکیب دارای یک مورفولوژی منحصربه فرد برای به دام اندازی نور است. این ساختار باعث می گردد ظرفیت جذب نور در این پوشش به مراتب فراتر از رنگ های مشکی معمولی باشد و سطحی از تیرگی را ایجاد کند که با فناوری های انحصاری پیشین برابری می نماید. در حالی که ونتابلک بازتاب نوری در حدود 0.04 تا 0.05 درصد دارد، پوشش نو نایپسیا به رکورد خیره نماینده 0.08 درصد در بازتاب نوری رسیده است که آن را برای کاربردهای عملیاتی بسیار ایده آل می نماید.
03
چالش های عملیاتی و ایمنی جاده ای
استفاده از چنین رنگی در جاده ها با چالش های روانی و ایمنی همراه است. به گفته پژوهشگران، این پوشش تقریباً تمام جزئیات طراحی و برجستگی های بدنه خودرو را محو می نماید که می تواند برای ادراک بصری سایر رانندگان خطرناک باشد. برای حل این مشکل و حفظ ظاهر سه بعدی خودرو، تیم نایپسیا یک لایه روکش براق نهایی را به تست های خودرویی خود افزود.
علاوه بر مباحث زیبایی شناسی، پایداری در برابر حرارت و رطوبت از دیگر موانع پیش روی نانولوله های کربنی بوده است. محققان پانل های آزمایش را به مدت 10 روز در حمام آب 40 درجه سانتی گراد و 14 روز در رطوبت 95 درصد قرار دادند. نتایج نشان داد که این پوشش برخلاف نمونه های قبلی، هیچ نقص بصری پیدا ننموده و تست های چسبندگی استاندارد را با پیروزیت پشت سر گذاشته است، هرچند که هنوز برای تجاری سازی کامل و حضور در خیابان ها به بهینه سازی های بیشتری احتیاج دارد.
04
تاریخچه و ریشه های علمی مواد فوق جاذب
کوشش برای ساخت مواد فوق مشکی ریشه در احتیاجهای استراتژیک صنایع نظامی و فضایی دارد. در دهه گذشته، پوشش هایی مانند ونتابلک برای کاهش بازتاب های مزاحم در تلسکوپ های فضایی و دوربین های فوق حساس طراحی شدند تا از ورود نوری که می تواند سنسورها را مختل کند، جلوگیری گردد. ساختار این مواد معمولاً از جنگلی از نانولوله های عمودی تشکیل شده است؛ زمانی که فوتون های نور وارد این جنگل می شوند، به جای بازتاب یافتن، بین نانولوله ها به دام افتاده و در نهایت به گرما تبدیل می شوند. این فرآیند فیزیکی پیچیده است که باعث می گردد اشیاء از نظر بصری تخت و دوبعدی به نظر برسند. پژوهش نو نایپسیا در واقع کوشش می نماید این تکنولوژی آزمایشگاهی و حساس را به دنیای خشن و پر از تغییرات دمایی جاده ها بیاورد، جایی که آلودگی، باران و ضربات فیزیکی به سادگی می توانند ساختار نانو را تخریب نمایند.
05
تأثیرات روانی و پدیده هک شدن مغز
تجربه بصری تماشای یک جسم فوق مشکی فراتر از یک تماشای ساده است؛ بسیاری آن را به عنوان یک خطای سیستمی در مغز توصیف می نمایند. از آنجا که مغز انسان برای تشخیص عمق و شکل اجسام به سایه روشن ها و بازتاب نور متکی است، حذف 99.9 درصد نور باعث می گردد پردازشگرهای تصویری مغز دچار اختلال شوند. در این حالت، چشم هیچ اطلاعاتی از انحناها و زوایای جسم دریافت نمی نماید و مغز به اشتباه تصور می نماید که با یک حفره تهی روبروست. این موضوع در روانشناسی رنگ ها می تواند احساساتی نظیر کنجکاوی شدید یا حتی اضطراب را برانگیزد. در صنعت خودرو، این قدرت بصری به عنوان نهایت لوکس بودن تعبیر می گردد، چرا که خودرویی را ایجاد می نماید که از نظر بصری در محیط اطراف خود حل شده و همزمان با قدرتی عجیب خود را متمایز می نماید، گویی بخشی از دنیای مادی نیست.
06
آینده فناوری نانو در رنگ آمیزی صنعتی
پیروزیت در تثبیت رنگ های مبتنی بر نانولوله کربنی تنها به خودروهای لوکس محدود نخواهد شد. این پیشرفت در فناوری پوشش های فوق مشکی و رنگ های جاذب نور می تواند در بهینه سازی پنل های خورشیدی برای جذب حداکثری انرژی، فراوری نمایشگرهایی با کنتراست بی نهایت و حتی ساخت لباس های استتار پیشرفته نقش ایفا نماید. با این حال، هزینه بالای فراوری و سختی در نگهداری این سطوح همچنان بزرگترین سد راه هستند. به منظور تجاری سازی، دانشمندان باید راهی برای شست وشوی آسان و ترمیم خراش های احتمالی بیابند، چرا که کوچکترین خراش روی چنین سطح تیره مطلقی، مانند یک لکه درخشان عمل نموده و تمام اثر بصری آن را از بین می برد. تحقیقات آینده احتمالاً بر روی ترکیب این نانومواد با پلیمرهای خودترمیم شونده متمرکز خواهد بود تا پایداری عملیاتی را به سطح استانداردهای جهانی برساند.
پرسش های متداول (Smart FAQ)
01. آیا استفاده از خودروهایی با رنگ فوق مشکی در شب خطرناک است؟
بله، این خودروها در شرایط نوری ضعیف عملاً نامرئی می شوند و شناسایی آن ها برای سایر رانندگان سخت است. به همین علت، مقامات ایمنی جاده ای ممکن است محدودیت های شدیدی برای استفاده از این پوشش ها در معابر عمومی وضع نمایند. راه حل احتمالی، استفاده از سنسورهای فعال و نوارهای نوری هوشمند در بدنه خودرو است.
02. تفاوت میان رنگ های مشکی مات معمولی و پوشش های نانو در چیست؟
رنگ های مات معمولی همچنان حدود 2 تا 5 درصد از نور را بازتاب می دهند و به چشم اجازه می دهند زوایای جسم را ببیند. در حالی که پوشش های نانو با جذب بیش از 99 درصد نور، ساختار فیزیکی جسم را به کلی پنهان می نمایند. این تفاوت فاحش ناشی از ساختار نانولوله ای است که به جای بازتاب، نور را در خود خفه می نماید.
03. آیا این رنگ های نو باعث داغ شدن بیش از حد بدنه خودرو می شوند؟
طبق قوانین فیزیک، تبدیل 99.9 درصد نور جذب شده به گرما می تواند دمای سطح خودرو را به شدت افزایش دهد. این مسئله چالش بزرگی برای سیستم های تهویه خودرو و دوام قطعات داخلی ایجاد می نماید. مهندسان در پی لایه های زیرین عایق هستند تا مانع انتقال این حرارت به کابین خودرو شوند.
04. لایه کیلر یا براق نماینده چگونه روی رنگی که تمام نور را جذب می نماید کار می نماید؟
لایه براق در واقع یک لایه شفاف است که بازتاب های سطحی ایجاد می نماید تا چشم بتواند خطوط کلی بدنه را تشخیص دهد. این لایه مانع از ورود نور به ساختار نانو نمی گردد، بلکه تنها درصدی از بازتاب مستقیم را برای حفظ زیبایی بصری فراهم می نماید. بدون این لایه، خودرو شبیه به یک برش ناشیانه و دوبعدی در فضا به نظر می رسد.
05. هزینه رنگ آمیزی یک خودرو با این فناوری چقدر برآورد می گردد؟
در حال حاضر هزینه فراوری و اجرای پوشش های نانو بسیار سرسام آور و در حد خودروهای سفارشی چند میلیون دلاری است. نانولوله های کربنی مواد گرانی هستند و فرآیند پاشش آن ها احتیاجمند محیطی کاملاً ایزوله و تجهیزات آزمایشگاهی است. پیش بینی می گردد تا سال های آینده، این هزینه با فراوری انبوه کاهش یابد اما همچنان گزینه ای گران قیمت باقی بماند.
06. آیا خراش های سطحی روی این رنگ قابل ترمیم هستند؟
ترمیم این رنگ ها بسیار سختتر از رنگ های معمولی است زیرا ساختار نانولوله ها در محل خراش به هم می ریزد. در صورت بروز آسیب، کل پانل خودرو ممکن است احتیاج به رنگ آمیزی مجدد با تجهیزات تخصصی داشته باشد. این یکی از دلایل اصلی است که پژوهشگران بر روی افزایش مقاومت و چسبندگی این پوشش ها تمرکز نموده اند.
07. کاربرد این پوشش های فوق مشکی در تلسکوپ ها چیست؟
این مواد در داخل بدنه تلسکوپ ها برای حذف نورهای مزاحم و بازتاب های داخلی استفاده می شوند تا کیفیت تصاویر فضایی بهبود یابد. با جذب نورهای اضافی، سنسورها می توانند با دقت بسیار بیشتری اجرام کم نور و دوردست را در فضا رصد نمایند. این کاربرد یکی از اصلی ترین دلایل سرمایه گذاری آژانس های فضایی بر روی این تکنولوژی است.
08. آیا این فناوری می تواند در صنعت مد و پوشاک نیز استفاده گردد؟
استفاده از آن در لباس های نظامی برای استتار در شب و کاهش دید راداری در حال آنالیز است. با این حال، به علت شنمایندگی ساختار نانو و احتمال استنشاق ذرات نانولوله، استفاده در لباس های معمولی فعلاً توصیه نمی گردد. مسائل بهداشتی و ایمنی زیستی نانوذرات همچنان یکی از موضوعات داغ در پژوهش های جاری است.
09. چرا محققان از تعامل پی در این پژوهش نام برده اند؟
تعامل پی یک جاذبه الکترواستاتیک در شیمی کوانتومی است که بین حلقه های معطر کربنی رخ می دهد. این پیوند ضعیف اما بسیار مؤثر باعث می گردد نانولوله ها به طور منظم در کنار یکدیگر قرار گیرند و یک شبکه پایدار بسازند. این نظم ساختاری کلید اصلی در دستیابی به جذب نور یکنواخت و پایداری در برابر شرایط جوی است.
جمع بندی نهایی
دستاورد نو پژوهشگران در خلق پوشش های فوق مشکی، فراتر از یک تغییر رنگ ساده در صنعت خودرو است؛ این یک انقلاب در مهندسی مواد محسوب می گردد که مرزهای میان علم نانو و ادراک بصری را در می نوردد. با جذب خیره نماینده 99.9 درصد نور، این فناوری نه تنها تجربه ای سوررئال و وهم آلود برای بیننده خلق می نماید، بلکه پتانسیل های عظیمی را در بهبود عملکرد تجهیزات فضایی، نظامی و انرژی خورشیدی پیش روی ما قرار می دهد. اگرچه چالش هایی نظیر ایمنی جاده ای، هزینه بالا و حساسیت های دمایی همچنان وجود دارند، اما پایداری خیره نماینده این پوشش نو نشان می دهد که به زودی شاهد حضور این حفره های متحرک در دنیای واقعی خواهیم بود. این تکنولوژی یادآور آن است که علم همیشه می تواند با بازتعریف ساده ترین مفاهیم مانند نور و رنگ، شگفتی های بی خاتمهی بیافریند.
منبع
منبع: یک پزشک