Ми звикли розглядати світло як каталізатор прискорення. Висвітлюєш об’єкт – частки нагріваються, починають рухатися швидше. Так, мабуть, улаштований наш світ. Або, принаймні, так говорить здоровий глузд.
Проте вчені з Руруської університетської лікарні в Бохумі (Німеччина) виявили, що світло може працювати як гальмо. 🛑
Їхні результати були опубліковані в журналі Nature. Експериментальна установка була досить простою: флуоресцентні вуглецеві нанотрубки із сітчастою структурою, зважені у воді. На них спрямовували яскраве світло. Замість прискорення, трубки сповільнювалися. Чим яскравіше світло, тим повільніше вони дрейфували. Це суперечить усім інтуїтивним уявленням про енергію.
«Дифузія зменшується, коли збільшуємо інтенсивність світла».
Чому це відбувається? Вся справа в так званому квантовому терті.
Це не звичайні трубки. Це нанотрубки. Вони приблизно в 100 000 разів тонші за людське волосся. Побачити їх неможливо без серйозного збільшення. Дослідники ізолювали окремі нанотрубки рідини. Під мікроскопом трубки, що світяться, почали рухатися так, ніби вода, що оточує їх, раптово перетворилася на патоку. Вона стала більш в’язкою, повільною та липкою.
Вся річ в екситонах. Так називаються пари енергійних частинок, що утворюються усередині твердого матеріалу. Електрон стрибає на нове місце, залишаючи після себе “дірку”. Разом вони танцюють. Зазвичай ця енергія або накопичується, або перетворюється на тепло. У разі вона витікає назовні. Ексітони всередині нанотрубки зв’язуються із молекулами води зовні. Вони обмінюються імпульсом. Вода чинить опір.
Ви отримаєте опір без фізичного контакту. І це найдивніша частина.
Звичайне тертя вимагає, щоб поверхні терлися одне одного: тертя, іскри, подряпини. Квантове тертя не вимагає нічого з цього. Воно виникає через флуктуації електричних зарядів, які «досягають» один одного через кордон між твердою трубкою та рідиною. Вони взаємодіють. І в процесі цієї взаємодії вони буквально пригальмовують один одного.
Команда використовувала терагерцеву спектроскопію, щоб спостерігати за цим процесом. Вони могли бачити, як зміщується молекулярна енергія. Відбулося крихітне перенесення імпульсу. Мар’ялоре Сульпі, теоретичний фізик із команди дослідників, зазначила, що для освітленої нанотрубки вода не поводиться як гладке середовище. Вона стає опір прямо на поверхні.
Ефект зникає, якщо ексітони не можуть вільно переміщатися.
То була контрольна група. Вони протестували нанотрубки з дефектами, які уповільнювали рух екситонів усередині матеріалу. Коли ці заряджені частинки застрягали, ефект гальмування зникав. Жодного тертя. Це довело основну гіпотезу: саме рухливість ексітону — його здатність рухатися вздовж трубки безпосередньо обмінюється енергією з навколишнім середовищем.
«Дивно, що цей ефект повністю зникає, коли електронні збудження сповільнюються».
Це прикордонна зона, де фізика твердого тіла перетікає у фізику рідин. Квантовий світ завжди здається слизьким і незрозумілим, але в цьому випадку ефект стає відчутним. Це буквальна гальмівна система.
То навіщо це потрібно?
Контроль.
Якщо ви можете уповільнити наноробота в рідині, просто висвітлюючи його, вам не потрібні крихітні двигуни або фізичні напрямні. Ви керуєте ним за допомогою фотонів. Те саме стосується і хімічних реакцій. Налаштуйте світло – налаштуйте тертя – змініть результат. Це прецизійна інженерія на молекулярному рівні.
Мартіна Хавеніт, ще один провідний хімік-дослідник, каже, що це відчиняє двері, існування яких ми не підозрювали у матеріалознавстві.
Ми звикли думати, що світло прискорює все. Це у нас у крові. Вогонь гріє. Сонце плавить. Але це дослідження свідчить про протилежне. Принаймні, у глибинах цього «кролячого нори» середовище стає густішим, коли вмикається світло.
Хто знає, де тут є межа.
