A NASA Desenvolveu um material "supernegro", que absorve luz em várias frequências de onda
A equipe de engenheiros do Centro Goddard de Voos Espaciais da NASA, em Greenbelt, Maryland, Estados Unidos, divulgou sua descoberta recentemente, na Conferência SPIE de Óptica e Fotônica, o maior encontro técnico interdisciplinar dessa matéria. Desde então, a equipe reconfirmou a capacidade de absorção do material em outros testes.
Os testes de refletividade mostraram que a equipe havia aumentado em 50 vezes a capacidade de absorção do material. Embora outros pesquisadores estejam relatando níveis de absorção próximos à perfeição, especialmente em em luz ultravioleta e visível, o material da NASA se aproxima da perfeição em vários comprimentos de onda, do ultravioleta ao infravermelho extremo, algo jamais alcançado por outros pesquisadores.
O revestimento baseado em nanotecnologia é uma fina camada de nanotubos de carbono de paredes múltiplas, minúsculos tubos oco feitos de carbono puro, cerca de 10.000 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Eles são dispostos verticalmente em vários substratos. A equipe construiu os nanotubos em silício, nitrito de silício, titânio, e aço inox, materiais comumente utilizados em instrumentos científicos que ficam no espaço. (Para construir os nanotubos de carbono, a tecnóloga do Goddard Stephanie Getty aplica uma camada de ferro catalizadora a uma subcamada de silício, titânio e outros materiais. Ela então aquece os materiais em um forno a cerca de 1,382 graus Fahrenheit - 750ºC. Durante o aquecimento, o material é banhado em um gás, a matéria prima contendo carbono.)
Os testes indicam que o material dos nanotubos é especialmente útil para várias aplicações em voos espaciais, nas quais observações em múltiplos comprimentos de onda são importantes para descobertas científicas. Uma dessas utilizações é a supressão de luz difusa. Os minúsculos vãos entre os tubos coletam e retêm a luz de fundo, para impedi-la de refletir-se em superfícies e de interferir naquela luz que cientistas desejam de fato medir. Como apenas uma fração da luz é refletida pelo revestimento, o olho humano e detectores sensíveis vêem o material como sendo preto.
Em especial, a equipe descobriu que o material absorve 99,5% da luz ultravioleta e da luz visível, caindo para 98% nas faixas mais longas, ou infravermelho extremo. A vantagem sobre outros materiais é que o material da Nasa é entre 10 e 100 vezes mais absorvente, conforme cada comprimento de onda.
"Os resultados são surpreendentes," disse o engenheiro do Goddard Manuel Quijada, coautor do artigo do SPIE que fez os testes refletibilidade. "Sabíamos que era absorvente. Apenas não havíamos pensado que seria tão absorvente na faixa do ultravioleta ao extremo infravermelho."
Esta imagem, muito ampliada, obtida com um microscópio eletrônico, mostra os nanotubos ocos de carbono ainda mais de perto. Um revestimento feito com esse material é visto como preto pelo olho humano e por detectores sensíveis porque os minúsculos vãos entre os tubos coletam e retêm a luz, impedindo a sua reflexão. (Foto: Stephanie Getty, NASA Goddard).
Se utilizado em detectores e componentes de outros instrumentos, a tecnologia permitirá a cientistas reunir medições difíceis de obter, de objetos tão distantes no universo que astronômos não conseguem vê-lo sob luz visível ou que estão em áreas de alto contraste, como planetas ao redor de outras estrelas. Cientistas que estudam os oceanos e a atmosfera da Terra também tirariam proveito do material. Mais de 90% da luz captada por instrumentos de monitoração da Terra vem da atmosfera, eclipsando os tênues sinais que eles tentam recuperar.
Atualmente, desenvolvedores de novos instrumentos usam pintura preta em refletores e outros componentes a fim de impedir a luz difusa de se refletir nas superfícies. No entanto, a tinta negra absorve somente 90% da luz que bate na superfície.
Além do mais, a tinta preta não permanece nessa cor quando exposta a temperaturas criogênicas (muito baixas). Nesses casos, ela assume uma aparência brilhante, prateada, disse o cientista Ed Wollack, do Goddard, que está avaliando o material de nanotubos de carbono como calibrador em instrumentos de sensoriamento em instrumentos de infravermelho extremo, que precisam operar sob temperaturas extremamente baixas, para poderem captar sinais que emanam de objetos muito distantes no universo. Se esses instrumentos não estiverem frios, o calor gerado pelo instrumento e pelo observatório, irá confundir os fracos raios infravermelhos que eles foram projetados para coletar.
Materiais negros desempenham outra importante função em instrumentos de espaçonaves e satélites, especialmente aparelhos de senroriamento por infravermelho, completa o engenheiro Jim Tuttle, do Goddard. Quanto mais negro o material, mais calor ele irradia. Em outras palavras, materiais superescuros, como o revestimento de nanotubos de carbono, podem ser utilizados em dispositivos que retiram calor de instrumentos e os irradiam para as profundezas do espaço. Isso resfria os instrumentos a temperaturas mais baixas, onde são mais sensíveis a sinais fracos.
Para impedir a tinta negra de perder uas propriedades de absorção e irradiação em comprimentos de onda longos, desenvolvedores de instrumentos atualmente utilizam epoxi com metais condutores para criar uma camada negra. No entanto, essa mistrura aumenta o peso, algo que é sempre uma preocupação para os desenvolvedores de instrumentos. Com a cobertura de nanotubos de carbono, no entanto, o material se torna menos denso e permanece negro sem necessidade de aditivos, sendo, por conseguinte, eficaz para absover luz e retirar calor. "Esse material é muito promissor," disse Wollack. "É robusto, leve, e muito negro. É, de longe, muito melhor do que a tinta preta."
NASA engineers have produced a material that absorbs on average more than 99 percent of the ultraviolet, visible, infrared, and far-infrared light that hits it - a development that promises to open new frontiers in space technology.
The team of engineers at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., reported their findings recently at the SPIE Optics and Photonics conference, the largest interdisciplinary technical meeting in this discipline. The team has since reconfirmed the material's absorption capabilities in additional testing, said John Hagopian, who is leading the effort involving 10 Goddard technologists.
The reflectance tests showed that our team had extended by 50 times the range of the material’s absorption capabilities. Though other researchers are reporting near-perfect absorption levels mainly in the ultraviolet and visible, our material is darn near perfect across multiple wavelength bands, from the ultraviolet to the far infrared. No one else has achieved this milestone yet.
The nanotech-based coating is a thin layer of multi-walled carbon nanotubes, tiny hollow tubes made of pure carbon about 10,000 times thinner than a strand of human hair. They are positioned vertically on various substrate materials much like a shag rug. The team has grown the nanotubes on silicon, silicon nitride, titanium, and stainless steel, materials commonly used in space-based scientific instruments. (To grow carbon nanotubes, Goddard technologist Stephanie Getty applies a catalyst layer of iron to an underlayer on silicon, titanium, and other materials. She then heats the material in an oven to about 1,382 degrees Fahrenheit. While heating, the material is bathed in carbon-containing feedstock gas.)
The tests indicate that the nanotube material is especially useful for a variety of spaceflight applications where observing in multiple wavelength bands is important to scientific discovery. One such application is stray-light suppression. The tiny gaps between the tubes collect and trap background light to prevent it from reflecting off surfaces and interfering with the light that scientists actually want to measure. Because only a small fraction of light reflects off the coating, the human eye and sensitive detectors see the material as black.
In particular, the team found that the material absorbs 99.5 percent of the light in the ultraviolet and visible, dipping to 98 percent in the longer or far-infrared bands. "The advantage over other materials is that our material is from 10 to 100 times more absorbent, depending on the specific wavelength band," Hagopian said.
"We were a little surprised by the results," said Goddard engineer Manuel Quijada, who co-authored the SPIE paper and carried out the reflectance tests. "We knew it was absorbent. We just didn't think it would be this absorbent from the ultraviolet to the far infrared.
If used in detectors and other instrument components, the technology would allow scientists to gather hard-to-obtain measurements of objects so distant in the universe that astronomers no longer can see them in visible light or those in high-contrast areas, including planets in orbit around other stars. Earth scientists studying the oceans and atmosphere also would benefit. More than 90 percent of the light Earth-monitoring instruments gather comes from the atmosphere, overwhelming the faint signal they are trying to retrieve.
Currently, instrument developers apply black paint to baffles and other components to help prevent stray light from ricocheting off surfaces. However, black paints absorb only 90 percent of the light that strikes it.
In addition, black paints do not remain black when exposed to cryogenic temperatures. They take on a shiny, slightly silver quality, said Goddard scientist Ed Wollack, who is evaluating the carbon-nanotube material for use as a calibrator on far-infrared-sensing instruments that must operate in super-cold conditions to gather faint far-infrared signals emanating from objects in the very distant universe. If these instruments are not cold, thermal heat generated by the instrument and observatory, will swamp the faint infrared they are designed to collect.
Black materials also serve another important function on spacecraft instruments, particularly infrared-sensing instruments, added Goddard engineer Jim Tuttle. The blacker the material, the more heat it radiates away. In other words, super-black materials, like the carbon nanotube coating, can be used on devices that remove heat from instruments and radiate it away to deep space. This cools the instruments to lower temperatures, where they are more sensitive to faint signals.
To prevent the black paints from losing their absorption and radiative properties at long wavelengths, instrument developers currently use epoxies loaded with conductive metals to create a black coating. However, the mixture adds weight, always a concern for instrument developers. With the carbon-nanotube coating, however, the material is less dense and remains black without additives, and therefore is effective at absorbing light and removing heat. "This is a very promising material," Wollack said. "It's robust, lightweight, and extremely black. It is better than black paint by a long shot."
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