浙江
一项发表在《Nature》上的研究显示，光不仅能照亮材料，还可能让悬浮在水中的碳纳米管“慢下来”。研究人员发现，当他们向水中的碳纳米管照射光线时，这些微小结构的扩散速度会下降，而且光越强，运动就越慢，研究团队将这一现象称为“光诱导量子摩擦”。
量子摩擦本身就是一个相当反直觉的概念。它并不是传统意义上两个表面直接磨擦产生的阻力，而是由量子“噪声”引发的一种拖曳力，可能出现在两个表面之间，或表面与液体之间。鲁尔大学波鸿分校理论物理学家、这项研究的建模与模拟负责人Marialore Sulpizi表示，这种现象超出了经典力学的解释范围，其阻力来源于遵循量子力学规律的电子特殊行为。
研究团队最初并不是为了寻找摩擦现象而开展实验，他们研究的是一种能够在近红外光下发光的碳纳米管，这类材料因适合生物成像而受到关注。但在观察这些纳米管在水中的随机运动时，他们意外发现一个异常：当光照射到材料上后，颗粒移动得比之前更慢了。随着实验继续推进，团队又通过化学手段调节纳米管的发光强弱，结果依然一致——发光越强，扩散越慢；发光越弱，移动就越快。
研究人员认为，答案关键在于碳纳米管吸收光后的响应方式。它们在吸光后会产生一种短暂存在的激发态，称为激子；与许多材料不同的是，碳纳米管中的激子是可以沿着管体移动的。这些激子在移动时会携带波动电荷，并与附近带有电荷不均衡的水分子相互作用，从而在纳米管与水的界面上产生额外拖曳力，最终让整体摩擦增大、扩散变慢。
为了验证这一机制，团队进行了计算机模拟，并进一步在碳纳米管中引入化学缺陷，将激子“困”在原地。结果显示，一旦激子失去移动能力，光诱导的摩擦效应便完全消失。Sulpizi表示，这说明激子一旦局域化，就无法再以同样方式与水相互作用。这也意味着，这种量子摩擦并不是固定不变的材料属性，而是可以被调控、甚至被开关式控制的现象。
研究共同作者、鲁尔大学波鸿分校物理化学家Sebastian Kruss指出，这一结果之所以令人意外，是因为通常情况下，向系统输入能量会让它运动得更快，而不是更慢。但这项工作恰恰表明，光并不总是推动运动，它也可能通过量子层面的相互作用给材料“踩刹车”。Sulpizi则称，这项研究首次展示了量子摩擦可以被光诱导并加以控制，是此前从未被观察到的新现象。
这项发现的意义并不只限于实验室。长期以来，碳材料与水之间的界面行为一直让研究人员感到困惑，例如水在碳纳米管或石墨烯表面的流动方式常常与预期不同，而量子效应早已被认为可能是原因之一。这项研究为这一理论提供了迄今最直接的实验支持，也为理解光、物质与液体在近距离接触时的复杂关系提供了新线索。
不过，研究仍未结束。团队目前还不清楚这种效应在不同波长光照下会如何变化，也不知道在其他纳米材料中是否会出现类似行为。但从更广义上看，这一结果已经说明，光、激发态与环境之间存在可以直接作用的微观联系，而这种联系不仅重要，而且可能在未来材料和纳米技术研究中带来新的应用方向。
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