|
Свет может создавать трение без физического контакта
|
|
|
|
Трение — это сопротивление, замедляющее движение поверхностей, когда они трутся друг о друга, — враг всего, от шин до досок для серфинга, но герой, когда дело доходит до предотвращения скольжения или зажигания спичек. Это сила, стоящая за цепкими подошвами обуви и «волшебными» салфетками из телемагазинов, которые полируют до зеркального блеска. Трение становится возможным благодаря физическому контакту — по крайней мере, при нормальных условиях. Но что происходит, когда контакт полностью исключается из уравнения?
|
|
|
|
Наше понимание трения переосмысливается благодаря странному квантовому явлению. В 2022 году исследователи обнаружили, что положительный заряд молекул воды, который колеблется при протекании через углеродную нанотрубку, взаимодействует с отрицательно заряженными электронами в стенках трубки. В результате на границе раздела воды и углерода возникает ничтожно малое трение — не из-за шероховатости поверхности, а из-за электромагнитных взаимодействий. В прошлом году исследовательская группа из Ланьчжоуского института химической физики в Китае обнаружила, что складывание ультратонких графеновых листов изменяет структуру электронов, возбуждая их и вызывая отклонение трения на сложенных краях от обычной линейной зависимости.
|
|
|
|
|
|
|
Желая развить эти результаты, физико-химик Себастьян Крусс из Рурского университета в Бохуме (Германия) исследовал, что происходит с графеновыми нанотрубками, когда их погружают в воду и подвергают воздействию света возрастающей яркости. Результат превзошел ожидания — но не так, как можно было бы подумать. Более высокие уровни тепловой энергии обычно приводят к более быстрой диффузии частиц в жидкости, поскольку диффузия обусловлена ??кинетической энергией: больше тепла означает большее движение молекул, происходящее раньше и с большей скоростью. Однако, когда Крусс и его команда отслеживали нанотрубки, они обнаружили обратное. Вместо того чтобы ускоряться под воздействием более яркого и горячего света, трубки замедлялись. Диффузия уменьшалась, потому что неожиданный источник трения работал против нее.
|
|
|
|
«Ожидается, что трение увеличится, когда функция отклика поверхности подложки перекрывается с низкочастотным спектром растворителя… это демонстрируется аномалиями гидродинамического трения на границе раздела вода-углерод и быстрым охлаждением горячих электронов в графене в воде», — сказал он в исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature.
|
|
|
|
Так что же создавало это бесконтактное сопротивление? Ответ кроется в необычайных свойствах графена. Несмотря на свою невероятную тонкость, графен обладает сверхпрочностью — примерно в 200 раз большей, чем сталь, но толщиной всего в один атом, что делает его в 100 000 раз тоньше обычного человеческого волоса. Будучи единым слоем атомов углерода, расположенных в идеальной решетке, он обладает невероятной гладкостью, без неровностей и дефектов, присущих большинству материалов — даже тем, которые кажутся безупречными невооруженным глазом. Эта гладкость исключает обычное трение, вызванное шероховатостью поверхности. Вместо этого источником сопротивления был электронный эффект: казалось, что трубки, светящиеся при освещении, движутся сквозь нечто более толстое, чем вода.
|
|
|
|
Вот почему. Свет превращал электроны в экситоны — пары, состоящие из электрона, возбужденного до более высокого энергетического состояния, и положительно заряженной «дырки», оставшейся на своем прежнем месте. Отрицательный заряд электрона и положительный заряд дырки взаимно компенсируются, поэтому экситоны не несут суммарного заряда. Но они все еще могут передавать энергию и излучать свет, что объясняет флуоресцентное свечение трубок. Важно отметить, что образование экситонов на поверхности графена создавало флуктуации электрических зарядов внутри материала. Эти флуктуации передавали импульс молекулам H?O на границе раздела графен-вода, создавая эффект трения. Чем больше света, тем больше экситонов, а значит, тем больше трения и замедления, и все это без физического трения каких-либо поверхностей друг о друга.
|
|
|
|
Исследователи подтвердили этот механизм с помощью терагерцовой (ТГц) спектроскопии и обнаружили, что устранение экситонов полностью устраняет трение. Это открытие открывает двери для практических применений: управляя квантовым трением с помощью света, ученые потенциально смогут ускорять или замедлять химические реакции по своему желанию. Ещё более заманчиво то, что нанороботы, предназначенные для исследования ранее недоступных мест, от внутренних органов человека до самых глубоких расщелин Марианской впадины, однажды могут управляться просто путём регулирования света, вызывающего этот эффект.
|
|
|
|
«Замедление [движения], вызванное светом, может быть физически или химически изменено для воздействия на движение наноматериала в водном растворе», — сказал Крусс. «Мы можем ожидать будущих подходов к управлению движением микроплавателей или нанороботов... полученные результаты также поднимают вопрос о том, может ли этот эффект присутствовать в других системах с высокой подвижностью экситонов/флуктуациями заряда».
|
|
|
|
Источник
|
