- 27,576
- 46
- 8 Ноя 2022
Вода под облучением стала "гуще" — и это не метафора, а новый вид трения.
Ученые из Рурского университета в Бохуме обнаружили неожиданный эффект : свет может замедлять движение наночастиц в воде. В эксперименте углеродные нанотрубки после подсветки двигались медленнее, хотя обычно облучение связывают с нагревом, возбуждением материала или ускорением отдельных процессов.
Команда связывает результат с квантовым трением - слабым сопротивлением на границе твердого наноматериала и жидкости. Такие эффекты физики обсуждали давно, но подробный механизм оставался неясным. Новый эксперимент показал, что электронные возбуждения внутри нанотрубки могут напрямую влиять на движение молекул воды рядом с ее поверхностью.
В опытах использовали флуоресцентные углеродные нанотрубки. Это тонкие цилиндры из углеродной сетки, примерно в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Под видимым светом нанотрубки поглощают энергию, переходят в возбужденное состояние, а затем испускают часть энергии обратно в виде свечения. Такой отклик помогает следить за частицами под микроскопом.
Исследователи поместили нанотрубки в водный раствор и наблюдали за их движением. Без подсветки частицы хаотично смещались из-за тепловых толчков со стороны молекул воды. После включения света движение замедлялось. Чем выше была интенсивность излучения, тем сильнее падала константа диффузии.
Константа диффузии показывает, насколько быстро частица смещается в жидкости за счет случайного движения молекул вокруг нее. В вязкой среде этот процесс идет медленнее. В опытах из Бохума вязкость воды не меняли, но подсвеченные нанотрубки двигались так, будто на их поверхности появлялось дополнительное сопротивление.
Ключевую роль сыграли экситоны . Экситон возникает, когда свет возбуждает электрон в материале, а на его прежнем месте остается дырка - отсутствие электрона, которое ведет себя как положительный заряд. Электрон и дырка связаны между собой и образуют единое возбужденное состояние. В углеродных нанотрубках такие возбуждения могут перемещаться вдоль структуры.
Проверка с дефектными нанотрубками помогла отделить главный механизм от побочных эффектов. В таких образцах дефекты замедляют электронные возбуждения, которые отвечают за флуоресценцию. Когда исследователи использовали нанотрубки с замедленными экситонами, световое торможение исчезало. Значит, дело было не просто в нагреве, подсветке или изменении раствора. Замедление возникало именно тогда, когда подвижные экситоны могли обмениваться импульсом с окружающей водой.
Чтобы рассмотреть процесс на молекулярном уровне, команда провела атомистическое моделирование. Расчеты показали, что флуктуирующие дипольные моменты экситонов в нанотрубке связаны с коллективными движениями молекул воды. Дипольный момент возникает, когда электрические заряды в системе слегка разделены. Когда возбужденное состояние в нанотрубке меняется, электрическое поле у поверхности тоже колеблется и заставляет ближайшие молекулы воды перестраивать движение.
В результате между нанотрубкой и водой происходит крошечный, но измеримый перенос импульса. Освещенная нанотрубка уже не просто блуждает в растворе под действием случайных тепловых толчков. На границе с водой появляется дополнительное сопротивление, и движение всей частицы замедляется.
Дополнительную проверку дали эксперименты с терагерцевой спектроскопией. Этот метод помогает следить за быстрыми движениями молекул и изменениями водородных связей в жидкости. С его помощью команда увидела, как после возбуждения электронных состояний нанотрубки энергия уходит в воду и как на границе твердого материала с раствором возникает трение.
Для кластера RESOLV в Бохуме этот результат важен еще и потому, что вода здесь не выступает пассивной средой. Молекулы рядом с наноматериалом участвуют в переносе энергии и импульса. Поэтому движение частицы задает не только сама нанотрубка, но и ближайший слой жидкости вокруг нее.
Открытие светового квантового трения показывает, что на наномасштабе физику твердого тела и физику жидкости нельзя рассматривать отдельно. Электронное возбуждение внутри твердого материала может менять сопротивление на границе с водой. Для материаловедения и нанотехнологий это дает понятную практическую идею: трение у поверхности можно регулировать светом, а значит, точнее управлять движением частиц и переносом вещества на очень малых расстояниях.
Ученые из Рурского университета в Бохуме обнаружили неожиданный эффект : свет может замедлять движение наночастиц в воде. В эксперименте углеродные нанотрубки после подсветки двигались медленнее, хотя обычно облучение связывают с нагревом, возбуждением материала или ускорением отдельных процессов.
Команда связывает результат с квантовым трением - слабым сопротивлением на границе твердого наноматериала и жидкости. Такие эффекты физики обсуждали давно, но подробный механизм оставался неясным. Новый эксперимент показал, что электронные возбуждения внутри нанотрубки могут напрямую влиять на движение молекул воды рядом с ее поверхностью.
В опытах использовали флуоресцентные углеродные нанотрубки. Это тонкие цилиндры из углеродной сетки, примерно в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Под видимым светом нанотрубки поглощают энергию, переходят в возбужденное состояние, а затем испускают часть энергии обратно в виде свечения. Такой отклик помогает следить за частицами под микроскопом.
Исследователи поместили нанотрубки в водный раствор и наблюдали за их движением. Без подсветки частицы хаотично смещались из-за тепловых толчков со стороны молекул воды. После включения света движение замедлялось. Чем выше была интенсивность излучения, тем сильнее падала константа диффузии.
Константа диффузии показывает, насколько быстро частица смещается в жидкости за счет случайного движения молекул вокруг нее. В вязкой среде этот процесс идет медленнее. В опытах из Бохума вязкость воды не меняли, но подсвеченные нанотрубки двигались так, будто на их поверхности появлялось дополнительное сопротивление.
Ключевую роль сыграли экситоны . Экситон возникает, когда свет возбуждает электрон в материале, а на его прежнем месте остается дырка - отсутствие электрона, которое ведет себя как положительный заряд. Электрон и дырка связаны между собой и образуют единое возбужденное состояние. В углеродных нанотрубках такие возбуждения могут перемещаться вдоль структуры.
Проверка с дефектными нанотрубками помогла отделить главный механизм от побочных эффектов. В таких образцах дефекты замедляют электронные возбуждения, которые отвечают за флуоресценцию. Когда исследователи использовали нанотрубки с замедленными экситонами, световое торможение исчезало. Значит, дело было не просто в нагреве, подсветке или изменении раствора. Замедление возникало именно тогда, когда подвижные экситоны могли обмениваться импульсом с окружающей водой.
Чтобы рассмотреть процесс на молекулярном уровне, команда провела атомистическое моделирование. Расчеты показали, что флуктуирующие дипольные моменты экситонов в нанотрубке связаны с коллективными движениями молекул воды. Дипольный момент возникает, когда электрические заряды в системе слегка разделены. Когда возбужденное состояние в нанотрубке меняется, электрическое поле у поверхности тоже колеблется и заставляет ближайшие молекулы воды перестраивать движение.
В результате между нанотрубкой и водой происходит крошечный, но измеримый перенос импульса. Освещенная нанотрубка уже не просто блуждает в растворе под действием случайных тепловых толчков. На границе с водой появляется дополнительное сопротивление, и движение всей частицы замедляется.
Дополнительную проверку дали эксперименты с терагерцевой спектроскопией. Этот метод помогает следить за быстрыми движениями молекул и изменениями водородных связей в жидкости. С его помощью команда увидела, как после возбуждения электронных состояний нанотрубки энергия уходит в воду и как на границе твердого материала с раствором возникает трение.
Для кластера RESOLV в Бохуме этот результат важен еще и потому, что вода здесь не выступает пассивной средой. Молекулы рядом с наноматериалом участвуют в переносе энергии и импульса. Поэтому движение частицы задает не только сама нанотрубка, но и ближайший слой жидкости вокруг нее.
Открытие светового квантового трения показывает, что на наномасштабе физику твердого тела и физику жидкости нельзя рассматривать отдельно. Электронное возбуждение внутри твердого материала может менять сопротивление на границе с водой. Для материаловедения и нанотехнологий это дает понятную практическую идею: трение у поверхности можно регулировать светом, а значит, точнее управлять движением частиц и переносом вещества на очень малых расстояниях.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
