پژوهشگران برای نخستین بار نشان دادهاند که نور همیشه باعث افزایش انرژی و حرکت نمیشود، بلکه در مقیاس نانو میتواند مانند یک «ترمز کوانتومی» عمل کرده و سرعت حرکت ذرات را کاهش دهد؛ کشفی که میتواند آینده فناوری نانو و ساخت نانورباتها را متحول کند.
به گزارش سیناپرس، محققان دانشگاه رور بوخوم آلمان در مطالعهای که نتایج آن در مجله معتبر Nature منتشر شده است، دریافتند تاباندن نور به نانولولههای کربنی فلورسنت معلق در آب، برخلاف انتظار، باعث کاهش سرعت حرکت آنها میشود.
این یافته، درک دانشمندان از برهمکنش نور، مواد و مایعات در مقیاس کوانتومی را دگرگون کرده و شواهد تازهای درباره پدیدهای موسوم به اصطکاک کوانتومی (Quantum Friction) ارائه میدهد.
نور چگونه به ترمز تبدیل میشود؟
در فیزیک کلاسیک، نور معمولاً بهعنوان منبعی برای انتقال انرژی شناخته میشود که باعث گرم شدن مواد یا افزایش حرکت ذرات میشود. اما آزمایش جدید نشان میدهد هرچه شدت نور بیشتر باشد، حرکت نانولولههای کربنی در آب کندتر خواهد شد.
پژوهشگران دریافتند: نانولولههای کربنی که حدود ۱۰۰ هزار بار نازکتر از موی انسان هستند، هنگام تابش نور رفتاری از خود نشان میدهند که گویی در مایعی غلیظتر حرکت میکنند.
اصطکاک کوانتومی چیست؟
به گفته محققان، عامل اصلی این کاهش سرعت، پدیدهای به نام اصطکاک کوانتومی است؛ نوعی مقاومت که بدون تماس مستقیم میان سطوح ایجاد میشود.در این فرآیند، بارهای الکتریکی درون نانولوله با مولکولهای آب اطراف برهمکنش پیدا میکنند و در نتیجه بخشی از تکانه خود را به محیط منتقل میکنند. همین انتقال انرژی موجب ایجاد مقاومتی نامرئی و کاهش سرعت حرکت ذرات میشود.
دانشمندان مشاهده کردند که هنگام تابش نور، ذراتی به نام اگزیتون (Exciton) در داخل نانولولهها تشکیل میشوند. اگزیتونها از یک الکترون و جای خالی آن تشکیل شدهاند و میتوانند در طول نانولوله حرکت کنند.
حرکت این اگزیتونها باعث تعامل مستقیم با مولکولهای آب شده و نیروی مقاومتی ایجاد میکند که مانند ترمز، سرعت نانولوله را کاهش میدهد.
به گفته پژوهشگران، زمانی که حرکت اگزیتونها به دلیل وجود نقص در ساختار نانولوله محدود شد، اثر اصطکاک کوانتومی نیز تقریباً از بین رفت؛ موضوعی که نقش کلیدی این ذرات را در ایجاد این پدیده تأیید میکند.
فناوری تراهرتز راز این پدیده را آشکار کرد
محققان برای بررسی این فرآیند از طیفسنجی تراهرتز استفاده کردند؛ روشی که با بهرهگیری از امواج الکترومغناطیسی، حرکت و انرژی مولکولها را در مقیاس بسیار کوچک اندازهگیری میکند.
نتایج نشان داد: مقدار اندکی از تکانه نانولولهها به مولکولهای آب منتقل میشود و همین انتقال، مقاومت ایجاد کرده و حرکت آنها را کند میکند.
دانشمندان معتقدند :کنترل اصطکاک با استفاده از نور میتواند کاربردهای گستردهای در فناوریهای آینده داشته باشد، از جمله:
* هدایت دقیق نانورباتها در محیطهای مایع
* کنترل بهتر واکنشهای شیمیایی در مقیاس نانو
* توسعه مواد هوشمند با قابلیت تنظیم اصطکاک
* پیشرفت در فناوریهای نانویی و ساخت تجهیزات فوقدقیق
به گفته پژوهشگران، این دستاورد مرز میان فیزیک جامدات و فیزیک مایعات را در مقیاس نانو کمرنگتر کرده و افقهای تازهای را برای تحقیقات آینده در علم مواد و فناوری نانو میگشاید.
نتایج کامل این پژوهش در تازهترین شماره مجله علمی Nature منتشر شده است.
