Eine in „Nature“ veröffentlichte Studie zeigt, dass Licht nicht nur das Material beleuchtet, sondern auch in Wasser suspendierte Kohlenstoffnanoröhren „verlangsamen“ kann. Die Forscher fanden heraus, dass sich die Diffusionsgeschwindigkeit dieser winzigen Strukturen verringerte, wenn sie Licht auf Kohlenstoffnanoröhren in Wasser richteten. Je stärker das Licht war, desto langsamer bewegten sie sich – ein Phänomen, das das Team „lichtinduzierte Quantenreibung“ nennt.
Quantenreibung selbst ist ein eher kontraintuitives Konzept. Dabei handelt es sich nicht um eine Widerstandskraft, die durch direkte Reibung zwischen zwei Oberflächen im herkömmlichen Sinne verursacht wird, sondern um eine Widerstandskraft, die durch Quantenrauschen verursacht wird, das zwischen zwei Oberflächen oder zwischen einer Oberfläche und einer Flüssigkeit auftreten kann. Marialore Sulpizi, theoretische Physikerin an der Ruhr-Universität Bochum und Leiterin der Modellierung und Simulation dieser Studie, sagte, dass dieses Phänomen außerhalb des Erklärungsbereichs der klassischen Mechanik liegt und sein Widerstand auf dem besonderen Verhalten von Elektronen beruht, die den Gesetzen der Quantenmechanik folgen.
Das Forschungsteam führte das Experiment zunächst nicht durch, um nach Reibung zu suchen. Sie untersuchten eine Art Kohlenstoffnanoröhre, die Licht im nahen Infrarotlicht emittiert, eine Art Material, das wegen seiner Eignung für die biologische Bildgebung Aufmerksamkeit erregt hat. Doch als sie die zufällige Bewegung dieser Nanoröhren im Wasser beobachteten, entdeckten sie unerwartet eine Anomalie: Wenn Licht auf das Material traf, bewegten sich die Partikel langsamer als zuvor. Während das Experiment weiterging, nutzte das Team chemische Mittel, um die Lumineszenzintensität der Nanoröhren anzupassen, und die Ergebnisse waren immer noch dieselben – je stärker die Lumineszenz, desto langsamer die Diffusion; Je schwächer die Lumineszenz, desto schneller bewegten sie sich.
Forscher glauben, dass der Schlüssel zur Antwort in der Art und Weise liegt, wie Kohlenstoffnanoröhren reagieren, wenn sie Licht absorbieren. Nachdem sie Licht absorbiert haben, erzeugen sie einen kurzlebigen angeregten Zustand, der als Exziton bezeichnet wird. Im Gegensatz zu vielen anderen Materialien können sich Exzitonen in Kohlenstoffnanoröhren entlang des Röhrenkörpers bewegen. Diese Exzitonen tragen schwankende Ladungen, während sie sich bewegen und mit unausgeglichenen Wassermolekülen in der Nähe interagieren, wodurch zusätzliche Widerstandskräfte an der Grenzfläche zwischen den Nanoröhren und Wasser entstehen, was letztendlich die Gesamtreibung erhöht und die Diffusion verlangsamt.
Um diesen Mechanismus zu verifizieren, führte das Team Computersimulationen durch und führte außerdem chemische Defekte in die Kohlenstoffnanoröhren ein, um die Exzitonen an Ort und Stelle „einzufangen“. Die Ergebnisse zeigten, dass der lichtinduzierte Reibungseffekt vollständig verschwindet, sobald die Exzitonen ihre Bewegungsfähigkeit verlieren. Laut Sulpizi zeigt dies, dass Exzitonen, sobald sie lokalisiert sind, nicht mehr auf die gleiche Weise mit Wasser interagieren können. Dies bedeutet auch, dass es sich bei dieser Art der Quantenreibung nicht um eine feste Materialeigenschaft handelt, sondern um ein Phänomen, das sich regulieren und sogar steuern lässt.
Sebastian Kruss, Physikalischer Chemiker an der Ruhr-Universität Bochum und Mitautor der Studie, weist darauf hin, dass dieses Ergebnis überraschend sei, da die Energiezufuhr in ein System normalerweise dazu führt, dass es sich schneller und nicht langsamer bewegt. Aber diese Arbeit zeigt nur, dass Licht nicht immer Bewegung antreibt; Es kann auch Materialien durch Wechselwirkungen auf Quantenebene bremsen. Sulpizi sagte, dass diese Forschung zum ersten Mal zeigt, dass Quantenreibung durch Licht induziert und kontrolliert werden kann, was ein neues Phänomen ist, das noch nie zuvor beobachtet wurde.
Die Auswirkungen dieser Entdeckung beschränken sich nicht nur auf das Labor. Das Verhalten der Grenzfläche zwischen Kohlenstoffmaterialien und Wasser gibt Forschern seit langem Rätsel auf. Beispielsweise fließt Wasser auf der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen oft anders als erwartet, und Quanteneffekte wurden lange Zeit als einer der Gründe vermutet. Diese Forschung liefert die bisher direkteste experimentelle Unterstützung für diese Theorie und liefert auch neue Hinweise zum Verständnis der komplexen Beziehung zwischen Licht, Materie und Flüssigkeiten in engem Kontakt.
Die Forschung ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Das Team weiß noch nicht, wie sich dieser Effekt bei verschiedenen Lichtwellenlängen verändert oder ob ein ähnliches Verhalten bei anderen Nanomaterialien auftritt. Aber im weiteren Sinne hat dieses Ergebnis gezeigt, dass es einen mikroskopischen Zusammenhang zwischen Licht, angeregten Zuständen und der Umgebung gibt, der direkt wirken kann. Diese Verbindung ist nicht nur wichtig, sondern könnte auch neue Anwendungsrichtungen in der zukünftigen Material- und Nanotechnologieforschung eröffnen.