Dank einer zufälligen Entdeckung haben Forscher an der University of British Columbia ein neues superschwarzes Material geschaffen, das fast das gesamte Licht absorbiert und damit potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in edlem Schmuck, Solarzellen und optischen Präzisionsgeräten eröffnet.
Professor Philip Evans und Doktorand Kenny Cheng experimentierten mit hochenergetischem Plasma, um Holz wasserabweisender zu machen. Als sie die Technik jedoch auf die Schnittenden von Holzzellen anwendeten, wurden die Oberflächen extrem schwarz.
Messungen der Fakultät für Physik und Astronomie der Texas A&M University bestätigten, dass das Material weniger als 1 % des sichtbaren Lichts reflektierte und fast das gesamte auftreffende Licht absorbierte.
Anstatt diesen zufälligen Fund zu verwerfen, beschloss das Team, seinen Schwerpunkt auf die Entwicklung superschwarzer Materialien zu verlagern und so einen neuen Ansatz zur Suche nach den dunkelsten Materialien der Erde beizutragen.
„Ultraschwarzes oder superschwarzes Material kann mehr als 99 % des auftreffenden Lichts absorbieren – deutlich mehr als normale schwarze Farbe, die etwa 97,5 % des Lichts absorbiert“, erklärte Dr. Evans, Professor an der Fakultät für Forstwirtschaft und Inhaber des BC Leadership Chair in Advanced Forest Products Manufacturing Technology.
Superschwarze Materialien erfreuen sich in der Astronomie zunehmender Beliebtheit, da ultraschwarze Beschichtungen auf Geräten Streulicht reduzieren und die Bildschärfe verbessern. Superschwarze Beschichtungen können die Effizienz von Solarzellen steigern. Sie werden auch bei der Herstellung von Kunstwerken und Luxusartikeln wie Uhren verwendet.
Die Forscher haben unter Verwendung ihres superschwarzen Holzes Prototypen kommerzieller Produkte entwickelt, wobei sie sich zunächst auf Uhren und Schmuck konzentrierten und planten, in Zukunft auch andere kommerzielle Anwendungen zu erkunden.
Wunderholz
Das Team nannte seine Entdeckung Nxylon (niks-uh-lon) und ließ sie als Marke schützen, nach Nyx, der griechischen Göttin der Nacht, und xylon, dem griechischen Wort für Holz.
Am überraschendsten ist, dass Nxylon selbst dann schwarz bleibt, wenn es mit einer Legierung beschichtet ist, wie etwa mit der Goldbeschichtung, die auf das Holz aufgetragen wird, um es elektrisch leitfähig genug zu machen, um es mit einem Elektronenmikroskop betrachten und untersuchen zu können. Dies liegt daran, dass die Struktur von Nxylon von Natur aus verhindert, dass Licht entweicht, und nicht an schwarzen Pigmenten orientiert ist.
Das UBC-Team hat gezeigt, dass Nxylon teure und seltene schwarze Hölzer wie Ebenholz und Rosenholz für Zifferblätter ersetzen kann und in Schmuckstücken als Ersatz für den schwarzen Edelstein Onyx verwendet werden kann.
„Die Zusammensetzung von Nxylon vereint die Vorteile natürlicher Materialien mit einzigartigen strukturellen Merkmalen und macht es leicht, steif und einfach in komplizierte Formen zu schneiden“, sagte Dr. Evans.
Nxylon wird aus Lindenholz hergestellt, einem in Nordamerika weit verbreiteten und für Handschnitzereien, Kisten, Fensterläden und Musikinstrumente geschätzten Baum. Es können aber auch andere Holzarten wie europäisches Lindenholz verwendet werden.
Der Forstwirtschaft neuen Schwung verleihen
Dr. Evans und seine Kollegen planen die Gründung eines Startups, der Nxylon Corporation of Canada, um die Anwendungsmöglichkeiten von Nxylon in Zusammenarbeit mit Juwelieren, Künstlern und technischen Produktdesignern zu erweitern. Sie planen außerdem die Entwicklung eines Plasmareaktors im kommerziellen Maßstab, um größere, superschwarze Holzproben herzustellen, die sich für nicht reflektierende Decken- und Wandfliesen eignen.
„Nxylon kann aus nachhaltigen und erneuerbaren Materialien hergestellt werden, die in Nordamerika und Europa weit verbreitet sind, was zu neuen Anwendungsmöglichkeiten für Holz führt. Die Holzindustrie in BC wird oft als eine aussterbende Industrie angesehen, die sich auf Massenprodukte konzentriert – unsere Forschung zeigt ihr großes ungenutztes Potenzial“, sagte Dr. Evans.
Zu den weiteren Forschern, die zu dieser Arbeit beigetragen haben, gehören Vickie Ma, Dengcheng Feng und Sara Xu (alle von der Fakultät für Forstwirtschaft der UBC); Luke Schmidt (Texas A&M); und Mick Turner (The Australian National University).
Mehr Informationen:
Kenneth J. Cheng et al., Superschwarzes Material durch Plasmaätzen von Holz, Fortschrittliche nachhaltige Systeme (2024). DOI: 10.1002/adsu.202400184