RW Space

Основы света продолжают очаровывать ученых и раскрывать новые тайны, в том числе то, как его эффекты могут быть нелогичными.

Обычно считается, что свет добавляет энергию для нагрева частиц или приведения их в движение.

Но ученые только что заметили, что свет действует наоборот: действует как невидимый тормоз в масштабах, которые слишком малы, чтобы их можно было себе представить.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи под руководством группы из Рурского университета в Бохуме в Германии обнаружили, что флуоресцентные углеродные нанотрубки движутся гораздо медленнее при облучении светом в водном растворе.

Чем ярче свет, тем медленнее движение или, в частности, тем ниже константа диффузии, мера того, насколько свободно частица движется в жидкости.

Это, по крайней мере, частично связано с «квантовым трением», установили исследователи.

Квантовое трение — это недавно открытое явление, и ученые только начинают понимать, на что оно способно.

«Это открытие квантового трения, индуцированного светом, фундаментально меняет наше понимание межфазных процессов», — говорит физико-химик Себастьян Крусс из Рурского университета в Бохуме.

«Наши эксперименты показывают, что диффузия уменьшается, когда мы увеличиваем интенсивность света».

Эти нанотрубки действительно представляют собой нанотрубки – в 100 000 раз тоньше человеческого волоса – и исследователи подвешивали их по отдельности в воде.

Микроскопический анализ показал, что при добавлении света нанотрубки вели себя так, как если бы они двигались в более толстой толще. жидкость.

Идея заключалась в том, чтобы попытаться поближе взглянуть на квантовое трение, сопротивление, возникающее при соединении электрических зарядов внутри твердого материала с молекулами окружающей жидкости.

По мере того, как нанотрубки светились и замедлялись под действием света, исследователи заметили, что внутри нанотрубки создавались экситоны: парные энергичные частицы (состоящие из электрона и «дырки», где раньше был электрон).

Эти экситоны соединяются с жидкостью. окружающие молекулы воды, передавая импульс.

«Что удивительно, так это то, что этот эффект полностью исчезает, когда мы используем нанотрубки, в которых электронные возбуждения, приводящие к флуоресценции, известные как экситоны, замедляются на дефектах», — говорит Крусс.

«Это означает, что именно подвижность экситонов вдоль нанотрубки находится в прямом обмене с окружающей средой и создает это эффект замедления».

Для обнаружения активности на молекулярном уровне использовался метод, известный как терагерцовая (ТГц) спектроскопия.

ТГц использует электромагнитные волны для измерения молекулярной энергии и движения – в данном случае передачи энергии воде.

«Происходит небольшая, но измеримая передача импульса», — говорит физик-теоретик Мариалоре Сульпици из Рурского университета в Бохуме.

«Вода не является гладкой средой для освещенной нанотрубки, но вместо этого на поверхности существует сопротивление, которое замедляет движение».

Из того, что мы знаем о квантовом трении, оно отличается от стандартного трения – ударов и трения двух поверхностей друг о друга – тем, что оно действует на электронном уровне. Никакого реального физического контакта не требуется: именно колеблющиеся взаимодействующие электрические заряды вызывают трение.

И это то, что здесь очевидно. Поскольку движущиеся заряды внутри нанотрубки взаимодействуют с молекулами воды, все замедляется.

По сути, свет действует как тормоз на материал.

Эксперименты также показывают стирание границ между физикой твердого тела и физикой жидкости на наноуровне. Хорошо известно, что в мельчайших масштабах начинаются квантовые странности – и это последняя демонстрация.

По теме: Ученые создают самую тонкую линзу на Земле с помощью квантовой физики

Результаты могут найти реальное практическое применение, если исследователи смогут контролировать трение со светом.

Примеры, приведенные исследовательской группой, включают управление движением нанороботов в жидкости и точное изменение условий химических реакций.

«Знание о том, что мы можем контролировать трение на границе раздела с жидкостью с помощью электронного возбуждения в твердом теле, открывает совершенно новые двери в материаловедении и нанотехнологиях», — говорит физико-химик Мартина Хавенит из Рурского университета в Бохуме.

Исследование опубликовано в журнале Природа.

Эта статья была проверена фактами и отредактирована Ребеккой Дайер. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, сообщите нам об этом.