پژوهشگران در کشفی غیرمنتظره نشان داده‌اند که نور همیشه باعث افزایش انرژی یا سرعت حرکت ذرات نمی‌شود. آن‌ها دریافتند در مقیاس نانو، تابش نور می‌تواند مانند یک ترمز کوانتومی عمل کرده و حرکت برخی مواد را به‌طور محسوسی کاهش دهد. این یافته می‌تواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از فناوری‌های نانویی و مواد پیشرفته هموار کند.
نور برخلاف انتظار، حرکت را کند می‌کند
در فیزیک کلاسیک، معمولاً انتظار می‌رود تابش نور باعث گرم شدن مواد یا افزایش انرژی و حرکت آن‌ها شود. اما تیمی از پژوهشگران دانشگاه رور بوخوم آلمان نتیجه‌ای کاملاً متفاوت به دست آورده‌اند.
در آزمایش‌های این گروه، نانولوله‌های کربنی فلورسنت که در آب معلق بودند، پس از تابش نور مرئی، بسیار کندتر از حالت عادی حرکت کردند. اندازه‌گیری‌ها نشان داد ضریب نفوذ (Diffusion) این نانولوله‌ها با افزایش شدت نور کاهش می‌یابد؛ رفتاری که پیش از این مشاهده نشده بود.
«اصطکاک کوانتومی» چیست؟
پژوهشگران این پدیده را اصطکاک کوانتومی ناشی از نور (Light-induced Quantum Friction) نامیده‌اند.
بررسی‌ها نشان داد هنگام تابش نور، برانگیختگی‌های الکترونی موسوم به اگزیتون (Exciton) درون نانولوله‌های کربنی با مولکول‌های آب اطراف برهم‌کنش می‌کنند. این تعامل باعث انتقال انرژی به محیط و افزایش مقاومت در برابر حرکت می‌شود؛ به‌گونه‌ای که ذرات رفتاری مشابه حرکت در مایعی غلیظ‌تر از خود نشان می‌دهند.
دانشمندان چگونه این پدیده را اثبات کردند؟
برای بررسی دقیق این رفتار، محققان از چندین روش آزمایشگاهی پیشرفته استفاده کردند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:
- مشاهده مستقیم حرکت نانولوله‌های کربنی زیر میکروسکوپ
- اندازه‌گیری ضریب نفوذ در شدت‌های مختلف نور
- استفاده از طیف‌سنجی تراهرتز (THz) برای بررسی انتقال انرژی میان نانولوله و آب
- مقایسه نمونه‌های سالم با نانولوله‌هایی که دارای نقص ساختاری بودند
نتایج نشان داد هرگاه حرکت اگزیتون‌ها در اثر نقص‌های ساختاری محدود شود، اثر ترمز کوانتومی نیز تقریباً از بین می‌رود. این موضوع نقش کلیدی برانگیختگی‌های الکترونی را در ایجاد این پدیده تأیید می‌کند.
این کشف چه کاربردهایی خواهد داشت؟
کنترل اصطکاک در مقیاس نانو یکی از چالش‌های مهم علوم مواد است. پژوهشگران معتقدند این کشف می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای داشته باشد، از جمله:
- توسعه سامانه‌های نانومکانیکی دقیق
- ساخت حسگرهای حساس‌تر
- کنترل انتقال مواد در مقیاس مولکولی
- طراحی تجهیزات پزشکی مبتنی بر نانوفناوری
- بهبود عملکرد سامانه‌های فوتونیکی و اپتوالکترونیکی
از آنجا که این فرآیند تنها با تغییر شدت نور قابل کنترل است، می‌توان بدون تماس فیزیکی حرکت ذرات را تنظیم کرد.
این پژوهش یکی از نمونه‌های جالب از تفاوت رفتار جهان کوانتومی با قوانین شهودی دنیای روزمره است. در حالی که بیشتر مردم نور را عاملی برای افزایش انرژی و تحریک حرکت می‌دانند، این مطالعه نشان می‌دهد در مقیاس نانو، نور می‌تواند دقیقاً نتیجه‌ای معکوس ایجاد کند. چنین یافته‌ای اهمیت زیادی برای دانشمندان علوم مواد و نانوفناوری دارد، زیرا کنترل حرکت ذرات در این مقیاس معمولاً بسیار دشوار است.
از منظر کاربردی، توانایی کنترل اصطکاک تنها با تابش نور می‌تواند در آینده به طراحی تجهیزات بسیار دقیق منجر شود؛ از ربات‌های نانویی و حسگرهای زیستی گرفته تا تراشه‌های فوتونیکی و سامانه‌های انتقال دارو. همچنین این کشف نشان می‌دهد تعامل میان جامدات و مایعات در ابعاد نانومتری بسیار پیچیده‌تر از چیزی است که مدل‌های کلاسیک پیش‌بینی می‌کنند.
البته نباید انتظار داشت این فناوری به‌سرعت وارد محصولات تجاری شود. پژوهش هنوز در مرحله بنیادی قرار دارد و برای تبدیل آن به فناوری کاربردی، تحقیقات بیشتری لازم است. با این حال، نتایج این مطالعه می‌تواند مسیر تحقیقات آینده در فیزیک کوانتومی، شیمی و نانوفناوری را به شکل قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهد.
این کشف به معنای ساخت یک «ترمز نوری» برای اجسام معمولی نیست. اثر مشاهده‌شده تنها در مقیاس نانومتری و در شرایط آزمایشگاهی خاص رخ داده و فعلاً کاربرد صنعتی مستقیمی ندارد.
جمع‌بندی
کشف نقش نور به‌عنوان یک ترمز کوانتومی، نگاه دانشمندان به رفتار مواد در مقیاس نانو را تغییر داده است. این پژوهش نشان می‌دهد نور نه‌تنها می‌تواند ذرات را به حرکت درآورد، بلکه در شرایط خاص قادر است سرعت آن‌ها را نیز کاهش دهد. اگر این پدیده در تحقیقات آینده بیشتر توسعه یابد، می‌تواند زمینه‌ساز فناوری‌های نوینی در حوزه نانوفناوری، مواد پیشرفته و فوتونیک باشد.
منبع: ScienceAlert، Nature، Ruhr University Bochum
