ZNANSTVENICI su otkrili da svjetlost, suprotno uobičajenom shvaćanju, može djelovati kao nevidljiva kočnica i usporavati kretanje na razinama koje je gotovo nemoguće zamisliti. Iako se obično smatra da svjetlost dodaje energiju, zagrijava čestice ili ih pokreće, nova studija pokazuje da može imati i potpuno suprotan učinak.

Istraživački tim predvođen znanstvenicima sa Sveučilišta Ruhr u Bochumu utvrdio je da se fluorescentne ugljikove nanocjevčice u vodenoj otopini kreću znatno sporije kada su obasjane svjetlošću, piše Science Alert.

Učinak kvantne kočnice

U eksperimentu objavljenom u časopisu Nature, istraživači su pokazali da što je svjetlost jača, to je kretanje nanocjevčica sporije. Preciznije, smanjuje se njihova konstanta difuzije, koja je mjera slobode kretanja čestice kroz tekućinu. Znanstvenici su utvrdili da je to barem djelomično posljedica fenomena nazvanog "kvantno trenje", čije se mogućnosti tek počinju otkrivati.

"Ovo otkriće kvantnog trenja izazvanog svjetlošću iz temelja mijenja naše razumijevanje procesa na međupovršinama", izjavio je fizikalni kemičar Sebastian Kruss sa Sveučilišta Ruhr. "Naši eksperimenti pokazuju da se difuzija smanjuje kako pojačavamo intenzitet svjetlosti."

Interakcija na nanoskali

Nanocjevčice korištene u studiji iznimno su tanke, čak 100.000 puta tanje od ljudske vlasi, a istraživači su ih pojedinačno suspendirali u vodi. Mikroskopskom analizom uočeno je da se pod utjecajem svjetlosti nanocjevčice ponašaju kao da se kreću kroz gušću tekućinu.

Cilj je bio pobliže istražiti kvantno trenje, otpor koji nastaje kada se fluktuirajući električni naboji unutar čvrstog materijala povežu s molekulama okolne tekućine. Istraživači su primijetili da se unutar nanocjevčica pod svjetlom stvaraju ekscitoni - uparene energetske čestice sastavljene od elektrona i "šupljine" gdje se elektron prethodno nalazio. Ti ekscitoni stupaju u interakciju s okolnim molekulama vode i prenose im impuls, što uzrokuje usporavanje.

"Fascinantno je da taj učinak potpuno nestaje kada koristimo nanocjevčice kod kojih su elektronička pobuđenja koja dovode do fluorescencije (poznata kao ekscitoni) zarobljena na defektima", pojasnio je Kruss. "To znači da je upravo pokretljivost ekscitona duž nanocjevčice ta koja je u izravnoj interakciji s okolinom i stvara ovaj usporavajući učinak."

Prijenos energije i buduće primjene

Kako bi otkrili aktivnost na molekularnoj razini, znanstvenici su koristili tehniku terahercne (THz) spektroskopije. Pomoću elektromagnetskih valova mjerili su molekularnu energiju i kretanje, konkretno prijenos energije na vodu.

"Događa se malen, ali mjerljiv prijenos količine gibanja", rekla je teorijska fizičarka Marialore Sulpizi sa Sveučilišta Ruhr. "Za osvijetljenu nanocjevčicu voda nije gladak medij, već na njezinoj površini postoji otpor koji usporava kretanje."

Za razliku od standardnog trenja, koje nastaje sudaranjem i trljanjem dviju površina, kvantno trenje djeluje na razini elektrona i ne zahtijeva fizički kontakt. Fluktuirajući električni naboji u nanocjevčici stupaju u interakciju s molekulama vode i tako usporavaju cijeli sustav.

Svjetlost, dakle, djeluje kao kočnica za materijal. Ovo otkriće zamagljuje granice između fizike čvrstog stanja i fizike tekućina na nanoskali te otvara put prema novim praktičnim primjenama, pod uvjetom da znanstvenici uspiju kontrolirati trenje pomoću svjetlosti. Istraživački tim kao primjere navodi upravljanje kretanjem nanorobota kroz tekućinu i precizno mijenjanje uvjeta kemijskih reakcija.

"Spoznaja da trenje na sučelju s tekućinom možemo kontrolirati pomoću elektroničkog pobuđenja u krutini otvara potpuno nova vrata u znanosti o materijalima i nanotehnologiji", zaključila je fizikalna kemičarka Martina Havenith sa Sveučilišta Ruhr.