25 augusti, 2010

Svart, svartare, nanorör

En svartkroppsstrålare är ett tänkt föremål som absorberar 100% av allt infallande ljus - den är helt svart. Men, som namnet antyder sänder den även ut ljus. Färgen på det utsända ljuset är helt och hållet bestämd av föremålets temperatur, och beskriver en kurva med ett emissionsmaximum som går mot längre våglängder med lägre temperatur. Kurvan, emissionsspektrumet, beskrivs av Plancks berömda formel:
Teorin för svartkroppsstrålning var ett av de fundamentala brotten med den klassiska fysiken och ett steg i utvecklingen av kvantfysiken. För att få fram rätt uttryck krävs nämligen att man antar att energin hos ljuset är kvantiserad.

Matta av nanorör. Bild från [2].
Men perfekta svartkroppar finns inga. Stjärnor är nästan svartkroppsstrålare, men de har spektrallinjer - de berömda Fraunhoferlinjerna, där atomer i stjärnas ytterlager absorberar strålning. Andra exempel på material med extremt låg reflektion (=hög absorbtion) är t.ex. nanofraktalt guld och super black, en speciellt etsad nickel-fosforlegering. För några år sedan upptäcktes att mattor av vertikala kolnanorör (VACNTs) har extremt låg reflektion. I Nano Letters publicerade Ajayans grupp en artikel1 där de mätte reflektionen i synligt ljus från sådana nanorör och konstaterade att det var det "svartaste" föremålet någonsin tillverkat. Reflektionen var under 0,05%. Som jämförelse kan nämnas att matt svart färg reflekterar ca 1,5% av det inkommande ljuset. Strax efter lyckades Hata, känd från "superväxt" av nanorör, och hans kollegor mäta2 att liknande mattor av enkelväggiga nanorör beter sig som nästan perfekta svartkroppar från UV (200nm) till långt ut i det infraröda området (200µm). De har en nästa våglängdsoberoende absorption på över 98% genom hela det området och är därmed de mest svartkroppslika föremål som tillverkats.

I en artikel som skall publiceras i Nano Letters3 har forskare från NIST utnyttjat den här egenskapen hos nanorörmattor för att skapa en supersvart ytbeläggning för en IR-detektor. En IR-detektor fungerar så att den absorberar infrarött ljus, vilket omvandlas till värme. Sedan mäter man hur mycket detektorn värms upp för att på så sätt bestämma ljusintensiteten. Det är därför väldigt viktigt att detektorn inte reflekterar något ljus. Det var för detta ändamål det ovan nämnda super black utvecklades. Forskarna från NIST visar att nanotubsbeläggningen är mindre reflekterande än andra beläggningar, och därtill har de högre värmeledningsförmåga, vilket är ytterligare ett plus.

Det verkar alltså som om nanorör kanske har en mörk framtid, vilket i alla fall i detektorvärlden är en positiv egenskap.

Referenser (bakom betalväggar):
1.    Z.-P. Yang, et al., Experimental Observation of an Extremely Dark Material Made By a Low-Density Nanotube Array. Nano Lett., 2008. 8(2): p. 446-451.
2.    K. Mizuno, et al., A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes. Proc. Nat. Acad. Sci., 2009. 106(15): p. 6044-6047.
3.    J. Lehman, et al., Very Black Infrared Detector from Vertically Aligned Carbon Nanotubes and Electric-Field Poling of Lithium Tantalate. Nano Lett., 2010. In Press. doi: 10.1021/nl100582j

2 kommentarer:

Matte sa...

kan detta förklara varför jag hade stora problem att mäta IR-spektra på mina funktionaliserade rör?

mjn sa...

nja, skulle inte tro att det har så mycket med det att göra. Dina rör var utspridda på en yta och inte stående bredvid varandra. Det är i just den konfigurationen - som en skog - som rören absorberar nästan allt inkommande ljus.