日前，芬蘭阿爾託大學博士生趙斌以木材為原料，成功打造出一種堅固無毒的超級黑木頭，這是一種具有超低光反射率的木質碳材料，也是一種生物質基的超級黑材料，光吸收率達到 99.64%。
圖 | 超級黑木頭（來源：資料圖）
當用電子顯微鏡仔細檢查這種材料的奈米結構時，立馬出現一幅令人著迷的畫面：隨著碳化溫度的升高，木材細胞壁直接呈現出新的結構。
圖 | 超級黑木材的奈米結構（來源：Nature Communications）
碳化的木材是黑色材料，但並不是超級黑。這是因為碳化溫度和含量，是兩個主要的限制性因素。
而當趙斌等人調整木質素含量並提高碳化溫度時，木材細胞壁的尺寸從微米級變為奈米級，這意味著光散射受到了抑制，從而讓光反射率得以大幅降低。
透過此，得以將碳化木材的反射率降低了一個數量級，為該類材料的製備提供了更加綠色可持續的方法，也為木基材料在光學領域的應用提供了新的思路。
（來源：Nature Communications）
同時，這也是超級黑木頭概念的首次面世，由於其擁有更好的耐久性和堅固性，故將為木材的高附加值利用帶來更多空間。
趙斌所在團隊還透過和阿爾託大學教授課題組的合作，證明超級黑木頭在鐳射實驗室具有一定作用，並且比目前常用的鐳射收集器更加高效。
透過此，他們發現超級黑木頭擁有接近完美的吸光率，可以降低雜散光對於光學裝置精度的影響。
超級黑木頭也有望用於天文望遠鏡，削弱由太陽光引起的強烈背景影。也可作為照相機的鏡頭罩，藉此提升照片的質量。
還可以將其用在鐳射實驗之中，藉此來淬滅鐳射，從而降低鐳射反射對人眼的傷害。更可以將其用於提高太陽能收穫率，進而提升太陽能蒸汽發生器的效能。
（來源：Nature Communications）
事實上，超級黑並不是一個新概念。自然界中出現超黑特徵的原因有多種，包括偽裝、體溫調節以及協助動物之間的社互動動。這些也是吸光化合物與光捕獲結構加以完美結合的結果。
舉個例子，森林往往要比開闊的田野暗得多。假如一片森林的樹木有幾公里高，在這種情況下森林的縱橫比（高度與樹之間的空間之比）要高得多。這時，光線會在穿過樹牆的時候，經過多次反射之後完全消失。
而此前人們曾在表面刻蝕的鎳磷合金表面實現過超級黑。後來由於垂直排列碳奈米管陣列的出現，催生了具有表面修飾的超級黑金屬和一些蓬鬆的碳材料。
很多超級黑材料都是易碎的多孔材料，由於只能在超淨實驗室裡實現，限制了進一步的研究。後來，人們發現自然界中很多動物的超級黑結構更耐久，也更能適應複雜的環境。
研究中，趙斌等人借鑑了領域內此前將碳化木材作為太陽能水蒸氣發生器和透明木材的成果。其發現，木材的多級孔結構，有利於調控光與物質相互作用，這樣一來既能讓光全透過（透明木頭），也可以在碳化後促進光吸收。
由於木材具有多級孔結構，故能被製備成超級黑木材或者透明木材。透明木材的製備原理在於：尋找折光率與木材匹配的聚合物，然後將其填充在木材之中，從而提升木材的透光率。
在本次研究剛開始的半年間，和趙斌在同一個團隊的碩士生時雪彤（現為英屬哥倫比亞大學博士生），初步證明了木材基超級黑材料可行性。
於是，趙斌將透明木材與超級黑結合，提出了超級黑木頭的概念。同時，還在一定程度上解決了超級黑材料本身的易碎問題。
而在研究不同種類的超級黑材料之後，趙斌意識到很多超級黑體系都是由超輕的蓬鬆材料實現的，比如垂直排列的碳奈米管、多孔的碳奈米球、被侵蝕的金屬表面和天堂鳥羽毛等。
受此啟發，他將碳化溫度進行提高，並在原木材料上驗證了可行性，又在脫木素的木頭上取得進一步突破，最終達到超級黑的級別。
（來源：Nature Communications）
雖然達到了超級黑的級別，但是他們一開始並不明白背後的機理，很難解釋黑度上升一個數量級的背後原因。
透過有限元建模的方法，他們根據木材結構在各個實驗步驟中的變化，在相關軟體的幫助之下，以可控的方式來設計超級黑木頭的形貌和尺寸，從而驗證了木材超級黑的理論，並針對其背後機理加以解釋。
儘管超級黑木頭是一個看起來很酷的學術名詞，但是將超級黑材料和木頭建立聯絡卻並非一蹴而就。碳化之後的木材截面，其吸光率高達 97%-99%。正因此，碳化木材在太陽能蒸汽發生器上的應用是近年來的一個熱點。
而木基的超級黑材料的吸光率為 99.6%。在本次研究之中很長一段時間，碳化木頭的吸光率都在 99% 左右徘徊。
即便多次嘗試修改引數，也都以失敗而告終。有一次，趙斌將碳化溫度升高到 1500°C，這時產生了新的結構，吸光率也被提升到 99.65%，從而達到了超級黑的級別。
（來源：Nature Communications）
最終，相關論文以《木材基超級黑》（）發在 Nature Communications[1]，趙斌是第一作者，加拿大不列顛哥倫比亞大學奧蘭多·J·羅哈斯（）教授和芬蘭阿爾託大學布魯諾·馬託斯（）教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
由於得到了期刊主編的重視，本次論文還被 Nature Communications 主頁加以高亮報道，並被選為 2023 年 TOP 50 論文。
同時，Nature Reviews Materials 也發表了一篇評論文章，並將本次超級黑木材與透明木材放在一起討論。
圖 | 趙斌（左一）和團隊（來源：資料圖）
本次工作是趙斌在芬蘭讀博期間的成果，故在芬蘭得到不少的關注，他也因此受邀參加赫爾辛基設計周，在那裡他展示了這款超級黑木材。
不過，作為材料的一種表面性能，超級黑——高度依賴於材料表面的微納結構與組裝方式。因此人們一般使用蓬鬆的超輕材料來製備超級黑材料。
垂直排列的碳奈米管陣列，是目前最黑的人造材料，吸光度高於 99.96%，但卻僅能在超淨間之內使用。
無論是外界的觸碰，還是環境中的溼度，都會給超級黑材料的效能帶來嚴重損害，因此很難被用於日常生活之中。
但是，在自然界中有很多超級黑物種，比如孔雀蜘蛛、天堂鳥、深海魚類、蝴蝶、甲蟲等，它們的身上都擁有一些超級黑結構，這些結構即便面臨苛刻環境也不容易被破壞。
對於自然界中的超級黑物種，領域內的學者也非常著迷。目前，趙斌和同事在超級黑物種的啟發之下，正在努力提升人造超級黑木材的表面耐久性。
另外，近年來人造超疏水錶面材料取得了很好的進展，該類材料的微納結構設計，也能為研發超級黑木材帶來一定借鑑意義。
眼下，趙斌等人正在研究被重組之後的木材，他們發現這種木材在碳化後，表現出更加優異的表面耐久性，故將基於此開展後續的研究。
圖 | 趙斌（來源：趙斌）
另據悉，趙斌本科和碩士均畢業於四川大學。碩士期間，他主要從事二氧化碳捕集的研究，期間發表 SCI 論文一篇 [3]，後在四川大學教授的推薦下來到芬蘭阿爾託大學讀博。
博士期間，他繼續研究二氧化碳捕集，並利用木質素基的碳奈米球，實現了低能耗的二氧化碳捕集與再生 [4]。
目前，他主要研究木基的高附加值功能材料。木基材料是一種可持續、可再生的原料，有利於林產資源、及其副產品的高效利用，也可以促進“雙碳”政策的推行。
“因此在博士畢業之後，我傾向於回到川渝地區的高校繼續從事科研工作，希望將來能為國家的碳減排目標出一份綿薄之力，”趙斌最後表示。
參考資料：
1.Zhao, B., Shi, X., Khakalo, S.et al.Wood-based superblack. Nat Commun 14, 7875 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43594-4
2.Wood can be made superblack or transparent, Nature Reviews Materials 2024
3.B. Zhao, et al., Applied Energy 2017
4.B. Zhao, et al., ACS nano 2021
運營/排版：何晨龍
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