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  如果入射于物體表面的所有光線都被吸收，那么該物體會呈現絕對的黑色，此時物體具有的立體結構無法被人眼觀測，出現類似黑洞的特性。能夠實現這種效果的材料被稱為超黑材料（Ultrablack Materials）。一般而言，超黑材料的光吸收率可達到99.5%以上，相比于傳統吸光涂層有著數量級的優勢，因此在高精密光學儀器（如航天望遠鏡、光刻機）、太陽能光熱轉化材料、高性能黑體輻射源和紅外隱身等方面有著廣闊的應用前景。

  超黑材料的特性主要源于其特殊的納米結構。目前報導的吸光性能最強的超黑材料是垂直碳納米管陣列結構，其半球反射率僅為0.045%。然而，這種結構制備過程過于復雜，使用方式存在局限，難以大規模應用。

  中國科學院化學所趙寧研究員/徐堅研究員課題組在材料反射機理研究的基礎上，設計了基于碳囊泡結構的超黑材料。該團隊在模板法制備過程中，通過引入正硅酸乙酯（TEOS）與酚醛樹脂（RF）進行共縮聚，經碳化、刻蝕后形成了碳囊泡結構（圖1）。

圖1. 碳囊泡結構：（a）制備過程示意圖；（b）TEM照片；（c）碳囊泡所用SiO2模板反結構的TEM照片；（d）SEM照片。

  這種無序結構的引入打破了中空碳球本身的球對稱結構，消除了光在微顆粒內部因干涉而產生的反射峰，得到了具有寬譜光吸收能力的可涂覆超黑材料。隨著TEOS用量的增加，碳囊泡結構內外壁距離增大，外壁變薄（圖2a），這導致其表觀密度和散射體尺寸（外壁厚度）減小，反射率逐漸降低，涂層半球反射率最低可達0.10%（圖2b）。而且，囊泡結構中無序度的增加也導致了反射峰的消失。這種材料所成涂層具有較好的朗伯特性，且在紫外、可見和近紅外區較寬范圍內都保持著較高的吸光性能，其入射角依賴反射率對波長無選擇性（圖2c），吸光能力僅次于垂直碳納米管陣列，是目前綜合性能最好的可噴涂超黑涂層材料。此外，優異的紫外光吸收能力也使其有望被用于紫外光刻機中雜散光的消除。

圖2. （a）碳囊泡結構隨TEOS加入量的增加形貌發生變化；（b）不同TEOS用量條件下，碳囊泡結構的半球光譜反射率；（c）不同波長條件下，碳囊泡結構反射率隨入射角的變化情況。

  第一作者為郭靖博士的這一研究成果，日前發表在國際學術期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909877

  DOI：10.1002/adfm.201909877