Como criar o preto mais escuro, da natureza à nanotecnologia

Alcançar o mais preto dos pretos tem sido um dos desafios contínuos da Humanidade. É uma fronteira que une a nanotecnologia moderna à antiga paleta de cores da natureza.

O preto surgiu como uma das primeiras cores criadas pela Humanidade, originadas do carvão vegetal e da fuligem usados na arte rupestre pré-histórica de Lascaux, no sudoeste da França.

Ao longo de séculos, o escuro foi associado a poder, raridade e prestígio. Na Europa renascentista, tecidos tingidos de preto tornaram-se símbolos de riqueza e autoridade, adornando monarcas, juízes e aristocratas. O preto transmitia status porque produzir um tom escuro profundo e uniforme era tecnicamente complexo e proibitivamente caro.

Mas a busca por um preto cada vez mais profundo é mais do que apenas um esforço estético. Na virada do século XX, o físico teórico alemão Max Planck procurou explicar o mistério da radiação do corpo negro – e revelou leis fundamentais que regem a interação entre luz e matéria.

Enquanto Planck examinava o comportamento teórico de um absorvedor ideal e perfeito, os cientistas de hoje demonstraram que existem materiais que, na prática, chegam surpreendentemente perto disso. Os avanços na nanotecnologia – engenharia em escala atômica e molecular – possibilitaram a criação de materiais ultranegros capazes de absorver praticamente todo o espectro da luz visível. (Quanto mais luz é absorvida, mais escuro o preto parece.)

Um exemplo comercial foi o carro-conceito ultranegro da BMW. Revestido com “Vantablack”, um material composto por nanotubos de carbono alinhados verticalmente, o veículo tinha uma aparência irreal. Os reflexos desapareceram e os contornos se fundiram em uma silhueta aparentemente bidimensional.

A licença exclusiva do artista Anish Kapoor para usar o Vantablack para fins artísticos gerou polêmica, com muitos artistas argumentando que tal privilégio não deveria ser reservado a um único profissional. As formas impressionantes, semelhantes a um vazio, de Kapoor ajudaram a impulsionar o desenvolvimento de materiais alternativos ultranegros, que continua até hoje.

Assim como o zero absoluto, a absorção perfeita é um limite teórico ao qual podemos nos aproximar progressivamente, mas que nunca alcançamos de fato. Contudo, com a ajuda da natureza, os cientistas estão se aproximando cada vez mais desse ideal.

O ultrapreto na natureza

Muito antes de os engenheiros cultivarem “florestas” de nanotubos de carbono, a natureza já havia aperfeiçoado sua capacidade de criar estruturas ultrapretas.

Na escuridão perpétua das profundezas do oceano, espécies de peixes desenvolveram uma pele capaz de absorver quase toda a luz que incide sobre ela, tornando-os efetivamente invisíveis aos predadores. Sua camuflagem decorre de delicadas arquiteturas superficiais que capturam fótons com notável eficiência.

A evolução também utilizou a escuridão para o objetivo oposto. Nas aves-do-paraíso e em algumas borboletas, estruturas ultranegras não servem para camuflagem, mas para exibição. Ao lado de cores intensamente iridescentes, essas manchas ultranegras absorvem tanta luz que criam a ilusão de vazios. Isso faz com que as cores vizinhas pareçam mais brilhantes, mais ricas e mais luminosas.

Estudos com aves-do-paraíso revelaram valores de reflexão de luz tão baixos quanto 0,05-0,31% — aproximando-se dos valores dos mais recentes metamateriais ultranegros desenvolvidos artificialmente. As penas das aves contêm barbulas altamente modificadas, dispostas em arranjos inclinados, que forçam a luz incidente a se espalhar repetidamente, produzindo sua aparência aveludada e ultranegra.

Em todos esses casos, a cor e a escuridão surgem da geometria, da morfologia (padrões de superfície, como saliências, ranhuras e poros) e da topologia (como esses padrões estão dispostos).

A nanotecnologia moderna está adotando essa estratégia biomimética. Revestimentos ultranegros baseados em florestas de nanotubos de carbono alinhados verticalmente ecoam as soluções aperfeiçoadas por organismos das profundezas do mar, borboletas e aves-do-paraíso.

Bilhões de nanotubos de carbono atuam como armadilhas ópticas artificiais, formando labirintos densos nos quais os fótons de luz entram facilmente, mas não conseguem escapar. O resultado é um material sintético que rivaliza e, em alguns aspectos, supera o desempenho óptico das superfícies mais escuras da natureza.

Aplicações modernas do ultrapreto

Os materiais de nanotubos de carbono ultrapretos atuais são empregados em qualquer lugar onde reflexos indesejados possam comprometer o desempenho.

Na astronomia, materiais ultranegros revestem o interior dos telescópios para absorver a luz difusa. Sem eles, o brilho das estrelas próximas mascararia o fraco reflexo de galáxias e exoplanetas distantes, tornando muitos desses mundos invisíveis.

Em microscópios de alta resolução e câmeras científicas, superfícies ultranegras eliminam reflexos que desfocam as imagens, revelando detalhes que, de outra forma, permaneceriam ocultos. Na espectroscopia e na detecção quântica, elas suprimem o ruído de fundo para que sinais extremamente fracos de moléculas e fótons possam ser detectados.

Os revestimentos ultranegros também melhoram o gerenciamento térmico ao absorver e controlar o calor, tornando-os ideais para espaçonaves, satélites e equipamentos eletrônicos de alto desempenho, onde até pequenas variações de temperatura podem afetar o desempenho. Em sistemas solares térmicos, eles maximizam a absorção da luz solar, aumentando a eficiência da conversão da energia solar em calor.

Os revestimentos de nanotubos de carbono também ajudam aeronaves, drones e satélites a reduzir tanto as assinaturas visíveis quanto as infravermelhas, tornando-os mais difíceis de serem detectados por câmeras, sistemas de imagem térmica e radares. Eles também poderiam reduzir a poluição luminosa em nosso céu noturno.

Enquanto os sistemas ultranegros anteriores costumavam ser frágeis, viáveis apenas por meio de nanofabricação complexa, um estudo chinês recente mostra como agora é possível gerar revestimentos ultranegros robustos e de forte aderência usando estratégias muito mais práticas e compatíveis com a indústria.

Conforme destaca o estudo, os materiais compostos à base de nanotubos de carbono em solução aquosa exemplificam esse progresso, alcançando uma absorção de luz superior a 99,9% e, ao mesmo tempo, mantendo a durabilidade necessária para aplicações altamente exigentes na indústria automotiva.

O que começou como um símbolo de status tornou-se um desafio tecnológico de ponta. Os pretos mais escuros não são mais definidos por pigmentos, mas por estruturas cuidadosamente projetadas que absorvem, retêm e neutralizam fótons com eficiência extraordinária.

Antonios Kelarakis não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico.

Por Antonios Kelarakis, Reader in Polymers ad Nanomaterials, School of Pharmacy and Biomedical Sciences, University of Lanca. Artigo originalmente publicado em The Conversation Brasil sob licença Creative Commons BY-ND 4.0.