پژوهشگران با ترکیب دوده کربنی و نانولولههای کربنی در مقیاس نانو، موفق به تولید پوششی فوقسیاه شدهاند که بیش از ۹۹٫۹ درصد نور مرئی را جذب میکند. این فناوری که با روشهای رایج رنگآمیزی خودرو سازگار است، میتواند نسل تازهای از رنگهای فوقتیره و بادوام را برای صنعت خودروسازی به ارمغان آورد.
سیاهتر از همیشه؛ رنگ نانویی بیش از ۹۹.۹ درصد نور را میبلعد
پژوهشگران با توسعه یک فناوری نوین در حوزه پوششهای نانویی، موفق به تولید رنگی فوقسیاه شدهاند که توانایی جذب بیش از ۹۹٫۹ درصد نور مرئی را دارد. این دستاورد که در نشریه متر اند لایت (Matter & Light) منتشر شده است، بر پایه ترکیب هوشمندانه دوده کربنی (Carbon Black) و نانولولههای کربنی (Carbon Nanotubes یا CNT) شکل گرفته و میتواند راه را برای تولید نسل جدیدی از رنگهای خودرو با ظاهری عمیقتر، تیرهتر و چشمگیرتر هموار کند.
برخلاف بسیاری از فناوریهای آزمایشگاهی که امکان استفاده صنعتی محدودی دارند، پژوهشگران در این مطالعه موفق شدهاند پوششی تولید کنند که با فرآیندهای متداول رنگآمیزی خودرو سازگار است و میتواند با تجهیزات رایج پاشش رنگ در خطوط تولید مورد استفاده قرار گیرد. همین ویژگی، این فناوری را به گزینهای امیدوارکننده برای ورود به صنعت خودروسازی تبدیل کرده است.
علاقه صنعت خودرو به رنگهای فوقسیاه از سال ۲۰۱۹ و پس از معرفی خودروی مفهومی شرکت بیامو (BMW) با پوششی مبتنی بر آرایههای عمودی نانولولههای کربنی افزایش یافت. آن پوشش به دلیل جذب تقریباً کامل نور، جلوهای شبیه «حفره سیاه» ایجاد میکرد و بهعنوان یکی از سیاهترین مواد ساختهشده شناخته شد.
با وجود جذابیت بصری این فناوری، استفاده از آرایههای عمودی نانولولههای کربنی در تولید انبوه خودرو با موانع متعددی روبهرو بود. این پوششها علاوه بر هزینه بالا، به فرآیندهای ساخت پیچیده نیاز دارند و الزامات سختگیرانه صنعت خودرو از نظر چسبندگی، دوام، مقاومت مکانیکی و قابلیت اعمال روی بدنه را بهراحتی برآورده نمیکنند.
به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال راهکاری بودند که بتواند بدون تغییر اساسی در خطوط تولید، همان جلوه فوقسیاه را ایجاد کند.
در پوششهای سیاه متداول، عامل اصلی ایجاد رنگ تیره، دوده کربنی است. این ماده بهطور طبیعی نور را جذب میکند، اما میزان جذب آن محدودیتهایی دارد. هرچه ذرات دوده کوچکتر باشند، توانایی جذب نور افزایش مییابد، اما این ذرات بسیار ریز تمایل زیادی به چسبیدن به یکدیگر و تشکیل خوشههای بزرگتر دارند. در نتیجه، بخشی از قابلیت جذب نور آنها از بین میرود و امکان دستیابی به رنگی فوقسیاه کاهش مییابد.
پژوهشگران برای غلبه بر این مشکل، نانولولههای کربنی را به سامانه اضافه کردند. آنها با استفاده از دستگاه آسیاب شنی پرانرژی و مواد پخشکننده پیشرفته، موفق شدند نانولولههای کربنی و ذرات دوده را بهصورت یکنواخت در یک محیط آبی پراکنده کنند. این فرآیند طی پنج ساعت انجام شد و در نهایت محلولی پایدار با حدود ۲۰٫۵ درصد مواد جامد به دست آمد.
در ادامه، این پخش یکنواخت نانومقیاس با یک رزین شفاف پایهآب مخلوط شد و رنگ حاصل به وسیله تجهیزات متداول پاشش رنگ روی صفحات فولادی اعمال شد. سپس پوشش شفاف نهایی نیز روی آن قرار گرفت و نمونهها در دمای ۱۳۰ درجه سانتیگراد به مدت ۳۰ دقیقه پخت شدند؛ فرآیندی که کاملاً با روشهای رایج رنگآمیزی خودرو همخوانی دارد.
بررسیهای انجامشده نشان داد نانولولههای کربنی تنها نقش یک افزودنی ساده را ندارند، بلکه ساختاری نانومقیاس شبیه «اتصال نقطهها» ایجاد میکنند. در این ساختار، ذرات بسیار ریز دوده در امتداد نانولولهها قرار میگیرند و شبکهای سهبعدی تشکیل میدهند که نور ورودی را بارها میان خود به دام میاندازد.
در نتیجه، علاوه بر جذب ذاتی نور توسط دوده، نوعی جذب ساختاری نیز ایجاد میشود؛ پدیدهای که باعث میشود پرتوهای نور پیش از خروج، بارها درون ساختار پوشش بازتاب پیدا کرده و تقریباً بهطور کامل جذب شوند. این سازوکار عملکردی مشابه بازتاب کلی داخلی ایجاد میکند و نقش مهمی در افزایش تیرگی پوشش دارد.
اندازهگیریهای نوری نشان داد میانگین بازتاب نور مرئی این پوشش تنها حدود ۰٫۰۸ درصد است. به بیان دیگر، این پوشش بیش از ۹۹٫۹۰ درصد نور مرئی را جذب میکند؛ رقمی که آن را در زمره سیاهترین پوششهای قابل استفاده در صنعت خودرو قرار میدهد.
پژوهشگران همچنین کیفیت رنگ را با استفاده از شاخصهای استاندارد ارزیابی کردند. مقدار شاخص جتنس (Jetness) به ۳۲۸٫۷ و شاخص سیاهی (Blackness) به ۳۱۵ رسید؛ در حالی که این مقادیر برای پوششهای متداول مبتنی بر دوده کربنی به ترتیب ۳۰۴٫۳ و ۲۹۶٫۴ بود. این اختلاف نشان میدهد پوشش جدید از نظر شدت رنگ سیاه، عملکرد بهمراتب بهتری دارد.
علاوه بر ویژگیهای نوری، دوام این پوشش نیز مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشها نشان داد چسبندگی پوشش پس از ۱۴ روز قرارگیری در محیط مرطوب و همچنین ۱۰ روز آزمون مقاومت در برابر آب همچنان حفظ شده است. هرچند پژوهشگران تأکید کردهاند که برای ورود به تولید انبوه، انجام مجموعه کامل آزمونهای دوام موردنیاز صنعت خودرو همچنان ضروری است.
یکی دیگر از ویژگیهای مهم این فناوری، استفاده از فرمولاسیون پایهآب است. در سالهای اخیر، صنعت رنگ بهدلیل نگرانیهای زیستمحیطی به سمت کاهش استفاده از حلالهای آلی حرکت کرده است و توسعه پوششهایی که با آب ساخته میشوند، اهمیت زیادی پیدا کرده است. از این رو، این فناوری علاوه بر بهبود عملکرد نوری، میتواند با الزامات زیستمحیطی صنعت نیز سازگار باشد.
پژوهشگران معتقدند این دستاورد میتواند از دو منظر اهمیت داشته باشد. از یک سو، صنعت خودروسازی قادر خواهد بود خودروهایی با ظاهری بسیار عمیقتر و متفاوتتر تولید کند و از سوی دیگر، دانش طراحی مواد فوقجاذب نور نیز گسترش خواهد یافت؛ موضوعی که میتواند در حوزههایی مانند تجهیزات اپتیکی، ابزارهای اندازهگیری دقیق، سامانههای تصویربرداری و پوششهای ضدبازتاب نیز کاربرد داشته باشد.
این پژوهش با حمایت گروه نیپسیا (NIPSEA Group) و شرکت نیپون پینت چین (Nippon Paint China) انجام شده است و پژوهشگران اعلام کردهاند هیچگونه تعارض منافعی در انجام این مطالعه نداشتهاند.
