在《你是我的眼》中，盲人歌手蕭煌奇深情地唱出“你眼前的黑不是黑，你說(shuō)的白是什么白”，生動(dòng)地描繪了視覺(jué)殘障人士對(duì)光明世界的渴望。然而，對(duì)于能夠看到身邊周遭萬(wàn)物的普通人來(lái)說(shuō)，一些色彩依舊會(huì)騙過(guò)人類(lèi)的視覺(jué)，甚至光線。更神奇的是，這些色彩還有其他神奇的功效，能夠?qū)θ祟?lèi)的生活起到意想不到的作用，而造就這種奇跡的，是日新月異的納米技術(shù)。

　　黑得如同現(xiàn)實(shí)缺了一塊

　　下面這張圖，在面具旁邊有一塊黑色的“漏洞”。然而，這并不是拙劣的摳圖，那塊“黑洞”其實(shí)是在同樣的面具上，覆蓋了一種黑色涂料。

　　黑色涂料覆蓋了面具，如同摳圖| www.Surreynanosystems.com

　　這種涂料叫做“Vantablack”，它能吸收99.96%的光線。當(dāng)被Vantablack覆蓋住后，面具上幾乎沒(méi)有光線被反射過(guò)來(lái)。如果你正面直視它，就會(huì)失去空間的縱深感，如同凝視深淵。

　　兩個(gè)面具的側(cè)面 | www.Surreynanosystems.com

　　“Vanta”是“垂直排列碳納米管陣列”（Vertically-aligned nanotube array）的縮寫(xiě) 。這個(gè)名字也明示了它的本質(zhì)：這種涂層其實(shí)是緊密排列成束狀的碳納米管。

　　1991年，日本學(xué)者飯島澄男發(fā)現(xiàn)了“碳納米管”。這種高導(dǎo)電、高強(qiáng)度的線狀材料，立刻引起了學(xué)界和企業(yè)界的興趣。

　　但是，碳納米管在實(shí)際使用時(shí)卻面臨很多問(wèn)題，其中最不好解決的就是它們總是相互纏繞在一起，就好像耳機(jī)線一樣。這種糾纏在一起的碳納米管，會(huì)極大減少能被有效利用的面積，同時(shí)其本身的導(dǎo)電性等指標(biāo)也會(huì)受到影響。

　　于是，學(xué)者們就想出了一種解決方案：讓這些碳納米管垂直生長(zhǎng)起來(lái)，也就是形成碳納米管陣列，如同在平地上種樹(shù)一樣。而這種“碳納米管小森林”，有序度高、纏繞少，能夠充分發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異性能，在電子元器件中有很大的應(yīng)用潛力。

　　一種長(zhǎng)在硅片上的碳納米管陣列，如同小樹(shù)林一樣地筆直生長(zhǎng)[2]

　　再回到Vantablack的顏色上。它能達(dá)到如此的吸光能力，也是因?yàn)樘技{米管陣列的特殊結(jié)構(gòu)。

　　當(dāng)光線入射到碳納米管陣列后，光會(huì)在納米管組成的森林中不斷偏折，不斷反彈，并最終被吸收，也就幾乎不會(huì)反射出去。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，之所以Vantablack如此之黑，是因?yàn)楣庠谔技{米管中“迷了路”。

　　自2014年面世后，Vantablack一度作為“最黑的人造物”，入選了吉尼斯世界紀(jì)錄。然而，這個(gè)紀(jì)錄在隨后不斷被打破。

　　目前公開(kāi)報(bào)道中，“最黑的材料”來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）。2019年，MIT的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種吸光能力高達(dá)99.995%的材料[3]。

　　研究者的這次突破也實(shí)屬偶然。這項(xiàng)研究原本目標(biāo)是提高導(dǎo)電材料性能，但當(dāng)他們不斷在涂層中塞入垂直碳納米管后，卻陰差陽(yáng)錯(cuò)得到了這么一種“比黑更黑”的物質(zhì)。

　　不過(guò)，目前這種材料還沒(méi)有具體的名字，工藝也沒(méi)那么成熟。所以，在“黑”的領(lǐng)域，Vantablack還是最為人稱道。

　　理論上，這些“黑材料”的用處很多，最容易想到的，就是可以給光學(xué)儀器或者天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)做遮光罩。不過(guò)，即使是工藝成熟的Vantablack，它的制備要求也十分苛刻。同時(shí)，作為涂層的話，碳納米管陣列也很容易脫落或者褪色，需要精心保護(hù)。

　　雖然暫時(shí)在商業(yè)上沒(méi)法大范圍推廣，但架不住很多先鋒者們前來(lái)嘗鮮。比如，寶馬公司涂裝了他們的一輛車(chē)；也有瑞士手表廠商，用這個(gè)材料做了全黑的表盤(pán)。

　　按網(wǎng)友的評(píng)價(jià)：這些物件涂上了Vantablack后，就好像游戲中“未解鎖”的道具。

　　Vantablack涂裝的一輛寶馬車(chē) | Surreynanosystems.com

　　顯然，藝術(shù)家們也不會(huì)放過(guò)這種極致的顏色。2016年，英國(guó)藝術(shù)家安尼什·卡普爾（Anish Kapoor）買(mǎi)下了用Vantablack進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作的獨(dú)家權(quán)利。這事當(dāng)時(shí)還引起了巨大爭(zhēng)議，大家議論的焦點(diǎn)是：藝術(shù)家能壟斷一種顏色嗎？

　　但準(zhǔn)確來(lái)講，卡普爾并沒(méi)有壟斷這種黑色。因?yàn)閂antablack只是一種材料，卡普爾只是得到了這種材料的獨(dú)家使用權(quán)，就如同一家公司占有一個(gè)專(zhuān)利一樣。只不過(guò)，恰巧只有這種材料能實(shí)現(xiàn)這種極致的黑色。

　　有消息稱，卡普爾的第一件Vantablack作品，將在2021年問(wèn)世，這值得期待。

　　能降溫的極致白

　　既然有了極致的黑。那大家肯定忍不住要問(wèn)，有沒(méi)有辦法能產(chǎn)生某種極致的白呢？

　　有。而且，自然界中早就有了這樣的設(shè)計(jì)。

　　在撒哈拉沙漠中，就有一種銀白色的螞蟻，叫做“撒哈拉銀蟻”（Cataglyphis bombycina）。

　　越是極端的環(huán)境，越容易出現(xiàn)極端的生物。這種螞蟻可以忍受當(dāng)?shù)馗哌_(dá)70°C的溫度，并能在沙漠中來(lái)去自如。有人形容“它們就像是流動(dòng)的水銀”。

　　為了加強(qiáng)散熱，這些螞蟻就演化出了銀白色的外表。

　　通過(guò)高倍顯微鏡觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種銀白色來(lái)源于覆蓋在螞蟻表皮的很多纖細(xì)的“毛”。這些“細(xì)毛”的橫截面是一種三角形的結(jié)構(gòu)，可以有效地反射來(lái)自不同入射角度的光。反射掉光線，也就意味著能給螞蟻降低不少的溫度。研究者發(fā)現(xiàn)，這層“銀白色”能讓螞蟻的體溫降低5~10℃，堪稱“隨身空調(diào)”。

　　A：撒哈拉銀蟻照片，B-E：撒哈拉銀蟻表面覆蓋的“毛”及其微觀結(jié)構(gòu)[4]

　　當(dāng)然，螞蟻的這種白還不算極致。2020年，美國(guó)普渡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種超白的涂料，可以反射95.5％以上的光。與之相比，目前商用白色涂料反光的能力只有80％到90％。

　　這種超白涂料的做法并不難，就是用亞克力和碳酸鈣混合。不過(guò)，實(shí)驗(yàn)中用到的碳酸鈣很有講究，它們的顆粒尺寸范圍很廣，從幾百納米到幾微米都有，這個(gè)顆粒分布是經(jīng)過(guò)計(jì)算優(yōu)化的，是為了盡可能散射太陽(yáng)光譜中所有波長(zhǎng)的光。

　　A：超白涂層（左）與商用涂層的對(duì)比，B：碳酸鈣微粒的微觀結(jié)構(gòu)[5]

　　同撒哈拉銀蟻一樣，研究者開(kāi)發(fā)這種涂料也是想用來(lái)降溫的。只不過(guò)，他們的計(jì)劃是在房屋的外表涂這種超白涂層。

　　左圖為用新型涂料在普通白色涂料上寫(xiě)下了一個(gè)“P”，右圖是紅外溫度分布，顯示出“P”的溫度要更低，因?yàn)樾滦屯苛夏芊瓷涓嗟臒崃縖5]

　　經(jīng)過(guò)測(cè)算，在陽(yáng)光照射下，這種超白涂層最多能比周?chē)鷾囟鹊?0℃。如果給建筑表面涂上的話，在夏天即使沒(méi)有空調(diào)，室內(nèi)也可以很涼快 。

　　不過(guò)，在建筑外面的人會(huì)不會(huì)遭殃呢？

　　結(jié)構(gòu)中的五彩斑斕

　　這世界不能只有純黑和純白，通過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)把控，能帶來(lái)更多色彩。

　　在我們的印象里，巧克力往往是棕色或者黑色的。但在2019年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)者們卻做出了一塊“彩虹巧克力”。

　　彩色巧克力。也許，這就是所謂的“五彩斑斕的黑” | www.Ethz.ch

　　根據(jù)報(bào)道，這個(gè)創(chuàng)意的起源，來(lái)自于一次閑聊。當(dāng)時(shí)，有三個(gè)教授在大學(xué)的走廊里喝咖啡閑聊，他們中有一位食品科學(xué)家、一位材料科學(xué)家和一位研究光學(xué)的物理學(xué)家。

　　聊著聊著，話題就轉(zhuǎn)到了巧克力，這幾位最后拋出了一個(gè)問(wèn)題：能不能做出彩色的巧克力呢？

　　當(dāng)科學(xué)家們有了奇怪念頭的時(shí)候，沒(méi)人的行動(dòng)力能超過(guò)他們。

　　這幾位說(shuō)干就干，開(kāi)始嘗試各種方法來(lái)給巧克力上色，不過(guò)最終效果都不太好。經(jīng)過(guò)不斷試錯(cuò)，他們最終決定，放棄色素或染料，而是在巧克力表面上壓印特殊結(jié)構(gòu)，來(lái)產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)色”。

　　所謂的“結(jié)構(gòu)色”，是指不使用化學(xué)顏料，而是利用光在微觀結(jié)構(gòu)上的散射、干涉或衍射等作用，來(lái)產(chǎn)生顏色。

　　這個(gè)概念聽(tīng)起來(lái)有些抽象，但結(jié)構(gòu)色在日常生活中隨處可見(jiàn)。比如，蝴蝶翅膀艷麗的色彩，就是因?yàn)樵诔岚虮砻娓采w著納米級(jí)的鱗片。再比如，吹起的肥皂泡上五彩斑斕，也是因?yàn)楣庠谒呐菖荼∧そY(jié)構(gòu)上發(fā)生了干涉現(xiàn)象。

　　蝴蝶翅膀顏色來(lái)自于其表面的納米結(jié)構(gòu)，下圖為電子顯微鏡中所觀察到的蝴蝶翅膀納米結(jié)構(gòu)[6]

　　借鑒了“結(jié)構(gòu)色”的原理，研究者們開(kāi)發(fā)了一種模具，能在巧克力表面印上特殊的“納米花紋”，從而就做出了這種彩虹的效果。

　　不過(guò)，這些“花紋”具體長(zhǎng)什么樣子，還沒(méi)有被揭秘。因?yàn)?，研究者們打算成立一家公司，把這項(xiàng)工藝推廣到更多食物上。

　　那么，問(wèn)題來(lái)了，你愿意嘗嘗蓋著一層彩虹的面包、糖果和餅干嗎？

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] "Safety Data Sheet Vantablack S-VIS and S-IR" . Surrey NanoSystems. 27 February 2018. Retrieved 16 September 2019.

　　[2] Lee, J. , Kessler, S. S. , & Wardle, B. L. . (2020). Void‐free layered polymeric architectures via capillary‐action of nanoporous films. Advanced Materials Interfaces, 7(4), 1901427.

　　[3] Cui, K. , & Wardle, B. L. . (2019). Breakdown of native oxide enables multifunctional, free-form carbon nanotube–metal hierarchical architectures. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(38), 35212–35220

　　[4] Shi, N. N. , Tsai, C. C. , Camino, F. , Bernard, G. D. , Yu, N. , & Wehner, R. . (2015). Keeping cool: enhanced optical reflection and radiative heat dissipation in saharan silver ants. ence, 349(6245), 298-301.

　　[5] Xiangyu Li, Joseph Peoples, Zhifeng Huang, Zixuan Zhao, Jun Qiu, Xiulin Ruan, Full Daytime Sub-ambient Radiative Cooling in Commercial-like Paints with High Figure of Merit, Cell Reports Physical Science, Volume 1, Issue 10, 2020,100221.

　　[6] Potyrailo, R. A. , Bonam, R. K. , Hartley, J. G. , Starkey, T. A. , Vukusic, P. , & Vasudev, M. , et al. (2015). Towards outperforming conventional sensor arrays with fabricated individual photonic vapour sensors inspired by morpho butterflies. Nature Communications.