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O Vantablack e a folha sem dobras

Em 2014, uma empresa inglesa cobriu alumínio amassado com nanotubos de carbono, e as dobras sumiram diante do olho.

Alumínio amassado sob o Vantablack, sem relevo

Em julho de 2014, a Surrey NanoSystems, empresa de Newhaven, no sul da Inglaterra, divulgou a medição do revestimento criado pelo fundador e diretor de tecnologia Ben Jensen: de cada 100 mil partículas de luz visível que batiam de frente nele, só 35 voltavam. As outras 99.965 ficavam lá dentro.

O nome é uma sigla em inglês. Vantablack junta VANTA, de Vertically Aligned NanoTube Arrays (arranjos de nanotubos alinhados na vertical), com black, preto. Na prática, é uma floresta de tubos de carbono em pé, cada um com cerca de 20 nanômetros de diâmetro (o nanômetro é a milionésima parte do milímetro), milhares de vezes mais fino que um fio de cabelo.

A imagem que correu o mundo naquele julho usou uma folha de papel-alumínio amassada. Parte dela recebeu o revestimento, e a foto mostrou as duas metades lado a lado. Na metade nua, o metal brilhava em cada vinco. Na metade coberta, os vincos sumiram: no lugar dos morros e vales de alumínio, ficou uma mancha chapada, sem textura, com cara de recorte de tesoura.

Jensen descreveu a cena ao jornal britânico The Independent em 2014: “Você espera ver os morros, e tudo o que vê é preto, como um buraco, como se não houvesse nada ali. Parece muito estranho.”

A folha continuava amassada. Um dedo passado por cima encontraria cada dobra no mesmo lugar. Quem perdia o relevo era o olho, e o olho de qualquer pessoa: a foto enganava da mesma forma quem a via pela tela.

O preço também ficou no escuro. Jensen se recusou a dar um valor e disse apenas que seria muito caro. O destino do revestimento era o interior de telescópios e câmeras de satélite, onde um punhado de luz perdida basta para apagar uma estrela fraca.

Para entender por que a luz entra e não volta, é preciso descer até a altura dessa floresta, onde a superfície do material quase deixa de existir.

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I  O Mecanismo

A floresta onde a luz se perde

Toda superfície devolve um pouco de luz só por ser superfície. Quando a luz passa de um meio para outro, do ar para o vidro, por exemplo, uma parte dela ricocheteia na fronteira, e quanto maior a diferença entre os índices de refração (a medida de quanto cada meio freia a luz), maior o rebote. Uma vidraça comum reflete cerca de 4% da luz em cada face, mesmo sendo transparente.

Tinta preta sofre do mesmo problema. O pigmento absorve bem, mas a película de resina na frente dele tem índice de refração parecido com o do vidro e devolve a sua parte antes de a luz chegar ao pigmento. Daí o preto de tinta brilhar um pouco quando a lâmpada bate de lado.

Em janeiro de 2008, a equipe do físico Shawn-Yu Lin, do Instituto Politécnico Rensselaer, nos Estados Unidos, com Pulickel Ajayan, da Universidade Rice, atacou o problema pela fronteira. Num artigo da revista Nano Letters, o grupo descreveu um tapete de nanotubos de carbono em pé, tão espaçados que o conjunto tinha índice de refração quase igual ao do ar. Sem salto de índice, a luz quase não encontra onde ricochetear.

O tapete devolvia 0,045% da luz que recebia. A tinta preta comum devolve de 5% a 10%, segundo o próprio Rensselaer, e o recorde anterior, uma película de liga de níquel e fósforo, ficava entre 0,16% e 0,18%.

A luz que entra ainda precisa ser absorvida lá dentro, e aí trabalha o carbono. Cada nanotubo é uma folha de grafeno (carbono numa camada da espessura de um átomo) enrolada em cilindro, e o carbono nessa forma absorve luz numa faixa larga de cores. Um raio que desce entre os tubos bate num, desvia, bate no seguinte, e a cada encontro perde parte da energia, que vira calor.

Os tubos são muito mais compridos do que largos, e o caminho de volta até a superfície fica longo demais para quase qualquer raio. Na comparação usada pela Surrey NanoSystems, entrar no Vantablack seria como andar por uma floresta de árvores com três quilômetros de altura: quase nenhuma luz do céu chegaria até quem está no chão.

A contribuição da Surrey NanoSystems foi de fábrica. Florestas de nanotubos crescem por deposição química a vapor (um gás rico em carbono se decompõe sobre um catalisador e os tubos brotam dele), em geral com muito calor: a versão desenvolvida pela NASA precisava de uns 750 °C, e o Vantablack nasce a cerca de 400 °C.

A diferença abriu a porta do alumínio, metal que derrete perto dos 660 °C e forma o esqueleto de boa parte dos instrumentos espaciais.

O preço do truque é a fragilidade: a pressão de um dedo basta para deitar os tubos e devolver à superfície parte do brilho perdido.

II  Por que Importa

Quando o cérebro fica sem sombra

A folha de alumínio some do relevo porque o olho não mede forma diretamente. Ele mede luz. A forma é um cálculo que o cérebro faz em cima de pequenas diferenças de brilho: o lado da dobra virado para a lâmpada fica claro, o lado oposto fica escuro, e a passagem de um para o outro desenha a curva.

Em 1988, o neurocientista V. S. Ramachandran, da Universidade da Califórnia em San Diego, mostrou na revista Nature quanto esse cálculo é automático. Discos pintados com um degradê, claros em cima e escuros embaixo, parecem saltar da página como bolhas. Os mesmos discos de cabeça para baixo parecem afundar como covas.

A explicação de Ramachandran: o cérebro assume que uma fonte de luz só ilumina a cena inteira, quase sempre vinda de cima, e lê cada degradê como volume. O nome técnico é forma a partir do sombreado (shape from shading, em inglês), e a pintura usa o recurso há séculos: três tons de cinza bastam para um círculo virar esfera.

O Vantablack corta o cálculo pela raiz. Se a superfície devolve 0,035% da luz, o lado claro e o lado escuro da dobra devolvem praticamente o mesmo nada. Sem diferença de brilho, o cérebro não tem de onde tirar a curva, e o objeto vira silhueta. O contorno de fora continua visível contra o fundo; o volume de dentro desaparece.

O mesmo vazio que confunde o olho é o que a astronomia procura. Dentro de um telescópio, a luz de uma estrela brilhante ricocheteia nas paredes do tubo e nos anteparos (peças que barram a luz de fora do campo de visão) e chega ao sensor como um véu claro sobre as estrelas mais fracas.

A Surrey NanoSystems apresentou o Vantablack em 2014 justamente para revestir peças assim: aberturas, anteparos, blindagens frias de sensores infravermelhos e fontes de calibração de satélites.

Calibração é o outro uso. Câmeras de satélite que medem calor precisam de uma referência de corpo negro (objeto ideal que absorve toda a radiação e emite apenas pela própria temperatura) para saber onde fica o zero da escala. Quanto mais preto o alvo, mais confiável o zero, e menor a peça pode ser.

Fora do laboratório, o vazio virou disputa. Em 2016, a empresa deu ao escultor Anish Kapoor a exclusividade do uso artístico do Vantablack, e o pintor britânico Stuart Semple respondeu em 2019 com o Black 3.0, tinta que absorve de 98% a 99% da luz visível, vendida a qualquer pessoa, menos a Kapoor.

O mesmo efeito aparece dentro de casa. Num corredor mal iluminado, um degrau escuro some pelo mesmo motivo da folha de alumínio, e a quina pintada em cor contrastante devolve ao olho a diferença de brilho que faltava.

III  A Fonte

Do anúncio de 2014 à revista revisada

O número de 99,965% nasceu de uma medição da própria Surrey NanoSystems, divulgada no lançamento de julho de 2014.

A base revisada por pares (a checagem em que outros especialistas avaliam o trabalho antes da publicação) saiu no mesmo ano, na revista Optics Express. O artigo é assinado por E. Theocharous e colegas do National Physical Laboratory, o laboratório nacional de medidas do Reino Unido, com Ben Jensen entre os autores, e descreve o primeiro crescimento desse tipo de floresta de nanotubos sobre alumínio.

O título resume o objetivo: uma qualificação parcial do revestimento para uso espacial. As amostras passaram por testes de perda de massa e de liberação de gases no vácuo, choque, vibração e ciclos de temperatura, as agressões de um lançamento e da vida em órbita. A refletância não mudou além da margem de erro da medição.

O artigo mediu ainda outra faixa da luz. No infravermelho, de 2,5 a 15 micrômetros de comprimento de onda (a faixa do calor que as câmeras térmicas enxergam), a refletância ficou tipicamente abaixo de 1%. É o dado que interessa a quem observa a Terra do espaço.

O antecessor passou pelo mesmo crivo: o tapete do Rensselaer saiu na Nano Letters, e o grupo pediu ao Guinness World Records (o livro dos recordes) o registro de material mais escuro já feito.

O posto do Vantablack durou pouco. Em setembro de 2019, Brian Wardle e Kehang Cui, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), publicaram na revista ACS Applied Materials & Interfaces uma floresta de nanotubos cultivada sobre alumínio atacado com cloro que absorve pelo menos 99,995% da luz, com reflexo dez vezes menor do que o de outros materiais muito pretos.

A artista Diemut Strebe cobriu com o material do MIT um diamante amarelo natural de 16,78 quilates, e a pedra virou um vazio chapado numa exposição na Bolsa de Valores de Nova York. O próprio Wardle avisou que o preto mais preto é um alvo em movimento.

Dois limites seguem de pé. O primeiro é o ângulo: o número de lançamento vale para luz chegando de frente.

O segundo é a faixa de cor: absorver quase tudo no visível não garante o mesmo em outras faixas, e o artigo de 2014 precisou de um teste próprio para o infravermelho.

A pergunta da edição fica para você: se o olho só enxerga volume onde a luz varia, quanto do que você chama de forma é cálculo do cérebro?

0,035%. Foi o que o Vantablack devolveu da luz visível que chegava de frente, na medição de lançamento (Surrey NanoSystems, 2014).

Continue curioso. Mirabile dictu.

CIÊNCIA BIZARRA

Parece mentira. Mas é real e está provado