Naučnici su otkrili da svjetlost, suprotno uvriježenom mišljenju, može djelovati kao nevidljiva kočnica i usporavati kretanje na nivoima koje je gotovo nemoguće zamisliti. Iako se obično smatra da svjetlost dodaje energiju, zagrijava čestice ili ih pokreće, novo istraživanje pokazuje da može imati i potpuno suprotan efekat.
Istraživački tim predvođen naučnicima sa Univerziteta Ruhr u Bochumu utvrdio je da se fluorescentne ugljikove nanocjevčice u vodenom rastvoru kreću znatno sporije kada su izložene svjetlosti, piše Science Alert.
Efekat kvantnog trenja
U eksperimentu objavljenom u časopisu Nature, istraživači su pokazali da što je svjetlost jača, to se nanocjevčice sporije kreću. Preciznije, smanjuje se njihova konstanta difuzije, odnosno mjera kojom se opisuje koliko se slobodno čestica kreće kroz tečnost. Naučnici smatraju da je to barem djelimično posljedica fenomena poznatog kao kvantno trenje, čije se mogućnosti tek počinju istraživati.
"Otkriće kvantnog trenja izazvanog svjetlošću iz temelja mijenja naše razumijevanje procesa koji se odvijaju na međupovršinama", izjavio je fizički hemičar Sebastian Kruss sa Univerziteta Ruhr.
"Naši eksperimenti pokazuju da se difuzija smanjuje kako povećavamo intenzitet svjetlosti", dodao je.
Šta se događa na nanoskali?
Nanocjevčice korištene u istraživanju izuzetno su tanke, čak 100.000 puta tanje od ljudske vlasi, i pojedinačno su bile suspendovane u vodi. Mikroskopska analiza pokazala je da se pod uticajem svjetlosti ponašaju kao da se kreću kroz mnogo gušću tečnost.
Cilj istraživanja bio je bolje razumjeti kvantno trenje, oblik otpora koji nastaje kada fluktuirajući električni naboji unutar čvrstog materijala stupaju u interakciju s molekulama okolne tečnosti.
Naučnici su uočili da se unutar nanocjevčica pod djelovanjem svjetlosti stvaraju ekscitoni – uparene energetske čestice sastavljene od elektrona i "šupljine" koja ostaje nakon njegovog pomjeranja. Ti ekscitoni zatim prenose impuls molekulama vode, što dovodi do usporavanja kretanja.
"Fascinantno je da ovaj efekat potpuno nestaje kada koristimo nanocjevčice kod kojih su ekscitoni zarobljeni na defektima", objasnio je Kruss.
"To znači da upravo njihovo kretanje duž nanocjevčice direktno djeluje na okolinu i stvara efekat usporavanja."
Moguće buduće primjene
Kako bi proučili procese na molekularnom nivou, istraživači su koristili terahercnu (THz) spektroskopiju, tehniku kojom su pratili prijenos energije između nanocjevčica i vode.
"Dolazi do malog, ali mjerljivog prijenosa količine kretanja", rekla je teorijska fizičarka Marialore Sulpizi sa Univerziteta Ruhr.
"Za osvijetljenu nanocjevčicu voda nije glatka sredina, već na njenoj površini postoji otpor koji usporava njeno kretanje."
Za razliku od klasičnog trenja koje nastaje dodirom i trljanjem dvije površine, kvantno trenje djeluje na nivou elektrona i ne zahtijeva fizički kontakt. Fluktuirajući električni naboji u nanocjevčici međusobno djeluju s molekulama vode, što usporava cijeli sistem.
Otkriće pokazuje da svjetlost može djelovati kao svojevrsna kočnica za materijal. Time se otvaraju nove mogućnosti u istraživanju materijala i nanotehnologiji, posebno ako naučnici uspiju precizno kontrolisati ovaj efekat pomoću svjetlosti.
Među mogućim primjenama navode se upravljanje kretanjem nanorobota kroz tečnosti, kao i precizna kontrola uslova u hemijskim reakcijama.
"Saznanje da trenje na granici između čvrstog materijala i tečnosti možemo kontrolisati elektroničkim pobuđivanjem otvara potpuno nova vrata u nauci o materijalima i nanotehnologiji", zaključila je fizička hemičarka Martina Havenith sa Univerziteta Ruhr.