Мы привыкли рассматривать свет как катализатор ускорения. Освещаешь объект — частицы нагреваются, начинают двигаться быстрее. Так, по-видимому, устроен наш мир. Или, по крайней мере, так гласит здравый смысл.
Однако учёные из Руруской университетской больницы в Бохуме (Германия) обнаружили, что свет может работать как тормоз. 🛑
Их результаты были опубликованы в журнале Nature. Экспериментальная установка была достаточно простой: флуоресцентные углеродные нанотрубки с сетчатой структурой, взвешенные в воде. На них направляли яркий свет. Вместо того чтобы ускоряться, трубки замедлялись. Чем ярче свет, тем медленнее они дрейфовали. Это противоречит всем интуитивным представлениям об энергии.
«Диффузия уменьшается, когда мы увеличиваем интенсивность света».
Почему это происходит? Всё дело в так называемом квантовом трении.
Это не обычные трубки. Это нанотрубки. Они примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса. Увидеть их невозможно без серьёзного увеличения. Исследователи изолировали отдельные нанотрубки в жидкости. Под микроскопом светящиеся трубки начали двигаться так, будто окружающая их вода внезапно превратилась в патоку. Она стала более вязкой, медленной и липкой.
Всё дело в экситонах. Так называются пары энергичных частиц, образующиеся внутри твёрдого материала. Электрон прыгает на новое место, оставляя после себя «дырку». Вместе они танцуют. Обычно эта энергия либо накапливается, либо превращается в тепло. В данном случае она утекает наружу. Экситоны внутри нанотрубки связываются с молекулами воды снаружи. Они обмениваются импульсом. Вода оказывает сопротивление.
Вы получаете сопротивление без физического контакта. И это самая странная часть.
Обычное трение требует, чтобы поверхности терлись друг о друга: трение, искры, царапины. Квантовое трение не требует ничего из этого. Оно возникает из-за флуктуаций электрических зарядов, которые «достигают» друг друга через границу между твёрдой трубкой и жидкостью. Они взаимодействуют. И в процессе этого взаимодействия они буквально притормаживают друг друга.
Команда использовала терагерцовую спектроскопию, чтобы наблюдать за этим процессом. Они могли видеть, как смещается молекулярная энергия. Произошёл крошечный перенос импульса. Марьялоре Сульпи, теоретический физик из команды исследователей, отметила, что для освещённой нанотрубки вода не ведёт себя как гладкая среда. Она становится сопротивляющейся прямо на поверхности.
Эффект исчезает, если экситоны не могут свободно перемещаться.
Это была контрольная группа. Они протестировали нанотрубки с дефектами, которые замедляли движение экситонов внутри материала. Когда эти заряженные частицы застревали, эффект торможения исчезал. Никакого трения. Это доказало основную гипотезу: именно подвижность экситона — его способность двигаться вдоль трубки — напрямую обменивается энергией с окружающей средой.
«Удивительно, что этот эффект полностью исчезает, когда… электронные возбуждения… замедляются».
Это пограничная зона, где физика твёрдого тела перетекает в физику жидкостей. Квантовый мир всегда кажется скользким и непонятным, но в этом случае эффект становится осязаемым. Это буквальная тормозная система.
Так зачем это нужно?
Контроль.
Если вы можете замедлить наноробота в жидкости, просто освещая его, вам не нужны крошечные двигатели или физические направляющие. Вы управляете им с помощью фотонов. То же самое относится и к химическим реакциям. Настройте свет — настройте трение — измените результат. Это прецизионная инженерия на молекулярном уровне.
Мартина Хавенит, ещё один ведущий химик-исследователь, говорит, что это открывает двери, существование которых мы не подозревали в материаловедении.
Мы привыкли думать, что свет всё ускоряет. Это у нас в крови. Огонь греет. Солнце плавит. Но это исследование говорит об обратном. По крайней мере, в глубинах этого «кроличьего норы» среда становится гуще, когда включается свет.
Кто знает, где здесь предел.
