Міжнародна група дослідників зробила відкриття, яке може змінити уявлення про природу тертя. Виявилося, що світло здатне створювати силу опору навіть тоді, коли між поверхнями немає жодного фізичного контакту. Новий ефект пов’язаний не з механічною взаємодією матеріалів, а з квантовими процесами, які відбуваються на рівні електронів.
Тертя без дотику — як це можливо?
Зазвичай тертя виникає тоді, коли дві поверхні стикаються одна з одною. Саме завдяки цьому явищу автомобільні шини утримують зчеплення з дорогою, працюють гальма, а взуття не ковзає по підлозі.
Проте сучасні дослідження дедалі частіше демонструють, що існують і зовсім інші механізми виникнення сили опору. Ще кілька років тому науковці встановили, що між водою та вуглецевими нанотрубками можуть виникати електромагнітні взаємодії, які створюють надзвичайно слабке тертя без участі нерівностей поверхні. Нове дослідження показало ще більш незвичайний ефект.
Світло несподівано сповільнило рух нанотрубок
Команда фізичного хіміка Себастьяна Крусса з Рурського університету в Бохумі (Німеччина) досліджувала поведінку графенових нанотрубок у водному середовищі.
Під час експерименту нанотрубки освітлювали світлом різної інтенсивності та спостерігали за швидкістю їхнього руху. Здавалося б, яскравіше світло мало б нагрівати систему, а отже збільшувати швидкість хаотичного руху частинок. Саме так працює дифузія: чим більше теплової енергії, тим швидше рухаються молекули.
Однак результати виявилися протилежними. Зі збільшенням інтенсивності освітлення графенові нанотрубки не прискорювалися, а навпаки — рухалися повільніше. Це означало, що виникла додаткова сила, яка гальмувала їхній рух.
Причиною стали екситони
Ключ до відкриття приховувався в особливих властивостях графену — матеріалу, який складається лише з одного шару атомів вуглецю. Попри товщину всього в один атом, графен приблизно у 200 разів міцніший за сталь і майже не має поверхневих нерівностей. Саме тому традиційне механічне тертя тут практично неможливе.
Під дією світла електрони в графені переходили у збуджений стан, утворюючи так звані екситони — пари, що складаються зі збудженого електрона та позитивно зарядженої “дірки”, яка залишається після його переходу. Хоча екситони не мають сумарного електричного заряду, вони створюють локальні електричні коливання всередині матеріалу.
Саме ці коливання взаємодіяли з молекулами води на межі графену та рідини, передаючи їм імпульс і створюючи новий вид тертя. Чим яскравішим було освітлення, тим більше виникало екситонів, а отже — сильніше проявлявся ефект гальмування.
Вчені підтвердили відкриття експериментально
Для перевірки своєї теорії дослідники використали терагерцову спектроскопію, яка дозволяє спостерігати поведінку електронів у матеріалах. Експерименти показали, що коли утворення екситонів припинялося, загадкове тертя повністю зникало. Це підтвердило, що джерелом сили опору були саме квантові електронні процеси, а не будь-які механічні фактори.
Які перспективи відкриває новий ефект?
Відкриття може стати основою для створення принципово нових технологій керування наночастинками. Науковці припускають, що за допомогою світла можна буде точно регулювати швидкість руху мікроскопічних об’єктів у рідині без будь-якого фізичного впливу.
Подібна технологія може знайти застосування у кількох перспективних сферах:
- керування нанороботами всередині людського організму;
- прискорення або уповільнення хімічних реакцій;
- створення нових методів доставки ліків;
- розробка високоточних мікромеханічних систем;
- дослідження важкодоступних середовищ, зокрема глибоководних або біологічних.
Квантове тертя може виявитися значно поширенішим
Автори роботи припускають, що подібний механізм може існувати й в інших матеріалах, де виникають екситони або сильні електронні коливання.
Якщо ця гіпотеза підтвердиться, фізика отримає новий клас явищ, що дозволить по-іншому поглянути на взаємодію світла, рідин і наноматеріалів. Дослідження не лише розширює фундаментальні знання про природу тертя, а й відкриває шлях до технологій, у яких рухом нанорозмірних об’єктів можна буде керувати буквально за допомогою світла.