Przyzwyczailiśmy się postrzegać światło jako katalizator przyspieszenia. Kiedy oświetlasz obiekt, cząsteczki nagrzewają się i zaczynają poruszać się szybciej. Najwyraźniej tak działa nasz świat. A przynajmniej tak podpowiada zdrowy rozsądek.
Jednak naukowcy ze Szpitala Uniwersyteckiego Ruru w Bochum (Niemcy) odkryli, że światło może działać jak hamulec. 🛑
Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Nature. Układ eksperymentalny był dość prosty: fluorescencyjne nanorurki węglowe o strukturze sieciowej zawieszone w wodzie. Skierowano na nich jasne światło. Zamiast przyspieszać, rury zwalniały. Im jaśniejsze światło, tym wolniej dryfowali. Jest to sprzeczne z wszelkimi intuicjami dotyczącymi energii.
„Rozproszenie zmniejsza się, gdy zwiększamy intensywność światła”.
Dlaczego tak się dzieje? Chodzi o tak zwane tarcie kwantowe.
To nie są zwykłe rurki. To są nanorurki. Są około 100 000 razy cieńsze niż ludzki włos. Nie da się ich zobaczyć bez dużego powiększenia. Naukowcy wyizolowali pojedyncze nanorurki w cieczy. Pod mikroskopem świecące rurki zaczęły się poruszać, jakby otaczająca je woda nagle zamieniła się w melasę. Stał się bardziej lepki, powolny i lepki.
Wszystko zależy od ekscytonów. Tak nazywa się pary cząstek energetycznych utworzone wewnątrz materiału stałego. Elektron przeskakuje w nowe miejsce, pozostawiając po sobie „dziurę”. Razem tańczą. Zazwyczaj energia ta jest magazynowana lub przekształcana w ciepło. W tym przypadku wypływa. Ekscytony wewnątrz nanorurki wiążą się z cząsteczkami wody na zewnątrz. Wymieniają pęd. Woda stawia opór.
Opór można uzyskać bez kontaktu fizycznego. I to jest najdziwniejsza część.
Normalne tarcie wymaga, aby powierzchnie ocierały się o siebie: tarcie, iskry, zadrapania. Tarcie kwantowe tego nie wymaga. Powstaje w wyniku fluktuacji ładunków elektrycznych, które „docierają się” do siebie poprzez granicę między stałą rurą a cieczą. Wchodzą w interakcję. W procesie tej interakcji dosłownie spowalniają się nawzajem.
Do obserwacji tego procesu zespół wykorzystał spektroskopię terahercową. Widzieli zmianę energii molekularnej. Nastąpiło niewielkie przeniesienie pędu. Marialore Sulpi, fizyk teoretyczny z zespołu badawczego, zauważyła, że w przypadku oświetlonej nanorurki woda nie zachowuje się jak gładkie medium. Staje się odporna już na powierzchni.
Efekt zanika, jeśli ekscytony nie mogą się swobodnie poruszać.
To była grupa kontrolna. Przetestowali nanorurki z defektami, które spowalniały ruch ekscytonów w materiale. Kiedy te naładowane cząstki utknęły, efekt hamowania zniknął. Brak tarcia. Potwierdziło to główną hipotezę: to mobilność ekscytonu – jego zdolność do poruszania się po rurze – bezpośrednio wymienia energię z otoczeniem.
„Co zaskakujące, efekt ten całkowicie zanika, gdy… wzbudzenia elektroniczne… zostaną spowolnione.”
Jest to strefa graniczna, w której fizyka ciała stałego łączy się z fizyką cieczy. Świat kwantowy zawsze wydaje się śliski i niezrozumiały, ale w tym przypadku efekt staje się namacalny. To jest dosłownie układ hamulcowy.
Dlaczego jest to konieczne?
Kontrola.
Jeśli możesz spowolnić nanorobota w cieczy, po prostu oświetlając go światłem, nie potrzebujesz małych silników ani fizycznych prowadnic. Kontrolujesz to za pomocą fotonów. To samo dotyczy reakcji chemicznych. Dostosuj światło – dostosuj tarcie – zmień wynik. To inżynieria precyzyjna na poziomie molekularnym.
Martina Havenit, kolejna czołowa chemiczka, twierdzi, że otwiera to drzwi do nauki o materiałach, o których istnieniu nie mieliśmy pojęcia.
Przyzwyczailiśmy się myśleć, że światło przyspiesza wszystko. Mamy to we krwi. Ogień się rozgrzewa. Słońce topnieje. Ale to badanie mówi co innego. Przynajmniej w głębi tej króliczej nory środowisko staje się gęstsze, gdy włączane są światła.
Kto wie, gdzie jest granica.
