Случайное открытие: плазма и сверхчерная древесина09.08.2024 09:45

Цвет играет огромное значение в окружающем нас мире. Для представителей флоры и фауны цвет может служить как инструментом привлечения внимания, так и отпугивания. В науке цвет также используется в различных областях, от оптики до инженерии. Некоторые виды цвета куда ценнее, чем другие, ввиду их свойств. Ученые из университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада) проводили эксперименты с плазмой в попытках сделать дерево менее водопроницаемым, однако их работа привела к неожиданному результату — сверхчерному материалу, поглощающему практически весь свет ультрафиолетового и видимого спектра. Как именно произошло это случайное открытие, какими свойствами обладает полученный материал, и где он может быть применен. Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Суперчерные материалы имеют очень низкую отражательную способность из-за структурного поглощения света. Они привлекают значительное научное и промышленное внимание из-за их важного применения во многих областях: астрономии, фотоэлектронике, оптической науке и т.д. В этих областях применения суперчерные материалы минимизируют нежелательное отражение света, позволяя устройствам работать более точно или эффективно. В других областях, например, в искусстве и дизайне, привлекательность суперчерных материалов заключается в их способности создавать причудливые визуальные эффекты из-за огромного контраста между черными и соседними цветными объектами или поверхностями.

В природе этот эффект также весьма распространен, особенно среди птиц. У птиц суперчерные участки были определены как те, которые имеют менее 2% направленного отражения при нормальном падении света. Значения отражательной способности сверхчерных пятен у 32 видов птиц варьировались от 0.045 до 1.97% со средним значением 0ю94% (300–700 нм).

В попытках имитации сверхчерных материалов был достигнут неплохой результат с материалами, содержащими выровненные углеродные нанотрубки (CNT от aligned carbon nanotube), например, массив CNT низкой плотности (0.045%), покрытие Vantablack (0.035%) и фольга из CNT-металла (0.005%). Текущим обладателем «рекорда» для материала с низкой отражательной способностью (< 0.0002%) является ионно-трековый микротекстурированный полимер с матрицей, препятствующей обратному рассеянию.

Низкая отражательная способность таких материалов, как Vantablack, обусловлена высоким поглощением света графеном и способностью вертикальных массивов CNT снижать поверхностное отражение. В случае массива CNT низкой плотности его низкая отражательная способность была приписана его случайному профилю поверхности и наличию рыхлой сети запутанных нанотрубок, в дополнение к вертикально ориентированным нанотрубкам. Другие структуры также могут быть использованы для снижения отражательной способности синтетических материалов, включая нанопоры и микрополости. Еще более разнообразные структуры обнаружены в природных суперчерных материалах, включая сложные микроструктуры бородок у птиц, кутикулярные массивы микролинз у пауков-павлинов, и полидисперсные конфигурации сот в крыльях бабочек. Структурные особенности крыльев бабочек использовались в качестве биомиметических моделей для создания сверхчерных полимерных пленок. Как отмечают ученые, этот биомиметический путь создания сверхчерных материалов имеет преимущества в том, что пленки тоньше известных альтернатив и могут быть изготовлены при более низких температурах с помощью плазменно-химического осаждения из паровой фазы, а не выращиваться из CNT.

Биомимикрия структурного материала природы, как было описано выше, используется повсеместно. Однако далеко не все природные материалы пригодны для реализации эффекта сверхчерного цвета. К примеру, древесина, используется для создания легких, жестких и прочных композитов, но не является моделью для создания суперчерных материалов, потому что даже самые темные породы дерева, такие как черное дерево (Diospyros spp.) или африканское черное дерево (Dalbergia melanoxylon) не имеют структурных особенностей, которые снижают отражательную способность.

Тем не менее существует интерес к использованию древесины в приложениях, где чернота выгодна, таких как солнечная генерация пара и опреснение воды, потому что древесина широко доступна, недорога и устойчива. В этих приложениях древесина карбонизируется и сохраняет свою пористую микроструктуру, создавая черный материал с отражательной способностью 3%. Создание дополнительной пористости путем микросверления древесины перед карбонизацией еще больше снижает отражательную способность до 2%.

Ученые признают, что они по счастливой случайности создали суперчерную древесину во время ненаправленных исследований использования плазменного травления для «обработки» новых микроструктур на поверхностях липы (Tilia americana). Ученые назвали этот материал Nxylon, неологизм, созданный от Nyx (греческая богиня ночи) и xylon (с греческого «древесный материал»).

Результаты исследования

Изображение №1

Первым указанием на то, что возможно создать сверхчерный материал путем плазменной модификации поверхностей липы, было то, что ученые исследовали влияние приложенной энергии плазмы на цвет поперечных поверхностей, которые обнажают срезанные концы пористых клеточных элементов древесины. Фотографии образцов липы иллюстрируют положительную корреляцию между приложенной энергией плазмы и чернотой модифицированной древесины (снимки выше). При более высоких энергиях плазмы (400 и 500 Вт) поперечные поверхности липы были темно-черного бархатистого цвета и намного чернее, чем аналогично модифицированные продольные поверхности.

Изображение №2

Эти визуальные наблюдения подтверждаются измерениями отражательной способности, преобразованными в значения светлоты CIE модифицированных плазмой поверхностей (график выше). Значения светлоты CIE самых черных поперечных поверхностей (400 или 500 Вт) на порядок ниже (чернее), чем у самых темных пород древесины, черного дерева (21.9) и африканского черного дерева (22.5), а также полученного образца карбонизированной липы (17.0). В самом черном образце (500 Вт) можно увидеть едва заметные светлые линии, представляющие более толстостенную позднюю древесину на границах годичных колец. Эти более светлые полосы были включены в измерения светлоты CIE, поскольку размер пятна спектрофотометра составлял 5 мм. Включение более светлых полос поздней древесины в измерения цвета CIE завышало значения CIE. Например, значение CIE для области с 2 полосами поздней древесины составляло 0.88, тогда как для области, содержащей 4 годичных кольца, оно составляло 2.37.

Изображение №3

Измерения отражательной способности образца мощностью 500 Вт показали, что он имел очень низкую отражательную способность в УФ- и видимом спектре, в среднем 0.68% (от 300 до 700 нм) (график выше), что сопоставимо со значениями отражательной способности, зарегистрированными для суперчерных пятен у 32 видов птиц. График также сравнивает отражательную способность модифицированной плазмой суперчерной древесины с отражательной способностью двух материалов, используемых в коммерческих целях для контроля паразитных отражений в УФ- и видимом диапазоне:

суперчерный лист бумаги (Flock 55), созданный путем осаждения углеродных волокон (flock) на клеевую основу;
черный алюминий с низкой отражательной способностью.

Отражательная способность суперчерной древесины ниже, чем у алюминиевой черной листовой стали, и аналогична отражательной способности бумаги Flock 55, за исключением диапазона от 300 до 400 нм, где отражательная способность суперчерной липы ниже. Другая флокированная бумага с низкой отражательной способностью (Flock 65) имеет почти такую же отражательную способность, как и созданная плазмомодифицированная (500 Вт) суперчерная древесина. Измерения отражательной способности с использованием двухлучевого спектрофотометра UV–Visible–NIR избегали областей, содержащих более толстые клетки поздней древесины, которые были светлее соседней ранней древесины. Однако измерения отражательной способности включали лучи, которые также были светлее, что, возможно, завышало значения отражательной способности.

Черный цвет и низкая отражательная способность модифицированной плазмой липы, по-видимому, зависят от направления, что соответствует другим суперчерным материалам, обладающим столбчатой структурой. Необходимы дальнейшие исследования для количественной оценки направленной зависимости отражательной способности модифицированной плазмой липы.

Изображение №4

Микроструктура модифицированных плазмой поперечных поверхностей липы была исследована с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Древесину неизменно покрывают золотом перед СЭМ, чтобы сделать ее электропроводящей. После покрытия сплавом золота и ванадия поперечная поверхность обработанной плазмой (500 Вт) липы сохранила свой черный цвет, тогда как немодифицированный контроль был золотистого цвета (снимки выше). Сохранение черной окраски сверхчерным грудным пером райской стреловидной птицы (Ptiloris paradiseus Swainson) после нанесения золотого покрытия использовалось в качестве убедительного доказательства структурного поглощения света. Однако в образце древесины, модифицированной плазмой мощностью 500 Вт, присутствуют слабые светлые линии, выровненные по диагонали справа налево. Эти линии представляют собой лучи, состоящие из клеток лучевой паренхимы, ориентированных в радиальном направлении (4b). Обрезанные концы лучевых клеток присутствуют на тангенциальных поверхностях, а не на поперечных поверхностях, как в случае волокон, сосудов и вертикально ориентированной паренхимы. Две другие слабые линии, идущие слева направо, также присутствуют в образце древесины, модифицированной плазмой и покрытой золотом (4b). Последние представляют собой ряды толстостенных, радиально сплющенных клеток, которые разграничивают годичные кольца в липах (5a, 5b).

Изображение №5

Вертикальная ориентация полых клеточных элементов липы сохранилась после плазменной обработки, но произошла значительная модификация различных клеточных элементов древесины. Плазма протравила стенки клеток, которые разделяют кластеры крупных водопроводящих пор, создав большие пустоты на поверхности древесины. Эти большие пустоты были разделены сеткой полых волокнистых элементов. Клеточные стенки волокон стали тоньше и разделились, образуя конические столбики. Эти конические столбики иногда были настолько тонкими, что запутывались на поверхности древесины (5e). Эти микроструктуры отсутствовали в образце древесины, карбонизированном при 350 °C, хотя карбонизация сделала стенки волокон тоньше (5f).

Изображение №6

Для создания конических столбиков клеточных стенок в древесине потребовались бы гораздо более высокие температуры карбонизации (1500 °C). Происхождение вертикально ориентированных столбцов в модифицированной плазмой липе не ясно из СЭМ, однако наблюдения за структурно более простой и однородной древесиной, новозеландской белой сосной (Dacrycarpus dacrydioides), после плазменной обработки, позволяют предположить, как они образуются (снимки выше). Поперечные поверхности немодифицированной новозеландской белой сосны показывают продольные трахеиды, разделенные богатой лигнином средней пластинкой, которая наиболее толстая в углах клеток (6a, 6b). После плазменной модификации тонкие конические столбцы образуются в каждом из углов клеток, что позволяет предположить, что столбцы представляют собой богатые лигнином остатки углов клеток после дифференциального плазменного травления целлюлозы и лигнина в клеточных стенках (6c, 6d).

Изображение №7

Рентгеновская микро-КТ подтвердила многие из наблюдений СЭМ, приведенных выше. Рентгеновская микро-КТ имеет большее поле зрения за счет разрешения, чем СЭМ, тем не менее на 3D-рендерингах можно увидеть, как вертикальные столбцы образуются на модифицированных плазмой поверхностях, сравнивая морфологию клеточной стенки толстостенных волокон на границе годичных колец с тонкостенными волокнами (снимки выше). Большее поле зрения, обеспечиваемое рентгеновской микро-КТ, позволило увидеть, что микроструктура лучей и толстостенных волокон на границах годичных колец сохранилась в большей степени, чем тонкостенные волокна и сосуды (7a). 3D изображение слоя с большим увеличением показывает сосудистые ямки и волокнистые столбики в зоне верхней поверхности с низкой плотностью (от 0 до 0.7 мм) суперчерной липы (7b).

Изображение №8

Данные рентгеновской КТ использовались для создания профиля плотности через модифицированную плазмой суперчерную древесину. Результаты показывают, что модифицированная зона простирается на глубину ≈ 1 мм, а плотности внутри этой зоны на глубинах 0.1, 0.15, 0.2 мм составляли 0.035, 0.1 и 0.195 г/см³ соответственно (график выше). Для сравнения, низкоплотные пены, такие как аэрогели кремнезема, обычно имеют плотность в диапазоне от 0.003 до 0.5 г/см³.

Изображение №9

Спектры FTIR (от Fourier-transform infrared spectroscopy, т. е. Фурье-ИК-спектроскопия) необработанной и обработанной плазмой липы показаны на выше. Пики при 898 см−1 (частота группы C1 в целлюлозе и гемицеллюлозе), 1160 см−1 (асимметричная полоса C─O─C в целлюлозе и гемицеллюлозе), 1235 см−1 (ядра сирингила в лигнине и C═O в ксилане), 1370 см−1 (изгиб CH2 в целлюлозе и гемицеллюлозе) и 1735 см−1 (растяжение C═O в ксилане) уменьшились в результате обработки плазмой. Напротив, пик при 1600 см−1 (растяжение бензольного кольца в лигнине) стал больше, а пики при 1460 см−1 (деформация CH в лигнине и изгиб CH в ксилане) и 1505 см−1 (растяжение бензольного кольца в лигнине) стали более отчетливыми. Эти наблюдения согласуются с предыдущими исследованиями, показывающими, что лигнин в клеточных стенках древесины более устойчив к плазменному травлению, чем целлюлоза и гемицеллюлоза.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые показали, что плазменное травление клеточных элементов липы и полимерных компонентов сформировало низкоплотную древесную поверхность со сверхчерным структурным цветом и отражательной способностью менее 1% в диапазоне УФ и видимого спектра. Анализы и тесты показали, как сверхчерная окраска была связана с приложенной плазменной энергией и травлением вертикальных волокнистых элементов липы в глубокие ямки, обогащенные лигнином столбики и спутанные фибриллы. Сверхчерные поверхности сохраняют слабые зернистые особенности, возникающие в результате частичного плазменного травления толстостенных волокон или наличия горизонтально выровненных лучевых тканей.

Данный метод создания сверхчерного материала путем плазменной модификации липы не требует предварительного этапа литографии и не создает жидких отходов. В принципе, сверхчерную древесину можно создать путем плазменной модификации других диффузно-пористых лиственных пород средней и низкой плотности. Ученые уверены, что разработанный ими метод станет новым этапом в жизни древесины, которая стала материалом прошлого по мнению многих. Тем более, более дешевый и экологичный метод получения сверчерных материалов будет крайне выгоден для разного рода применений, от оптики до электроники.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?