Los fundamentos de la luz siguen fascinando a los científicos y revelando nuevos secretos, incluyendo cómo sus efectos pueden ser contraintuitivos. La creencia popular sugiere que la luz añade energía para calentar las partículas o ponerlas en movimiento.
Pero los científicos acaban de descubrir que la luz hace lo contrario: actúa como un freno invisible a escalas casi demasiado pequeñas para imaginar.
En un nuevo estudio publicado en Nature, investigadores liderados por un equipo de la Universidad Ruhr de Bochum en Alemania descubrieron que los nanotubos fluorescentes de malla de carbono se mueven mucho más lentamente cuando se irradian con luz en una solución acuosa. Cuanto más brillante es la luz, más lento es el movimiento, o más específicamente, menor es la constante de difusión, una medida de la libertad con la que una partícula se mueve a través de un líquido. Los investigadores determinaron que esto se debe, al menos en parte, a la “fricción cuántica”. La fricción cuántica es un fenómeno descubierto recientemente, y los científicos apenas están empezando a comprender sus posibilidades.
“Este descubrimiento de la fricción cuántica inducida por la luz cambia radicalmente nuestra comprensión de los procesos interfaciales”, afirma el químico físico Sebastian Kruss, de la Universidad Ruhr de Bochum.
“Nuestros experimentos demuestran que la difusión disminuye cuando aumentamos la intensidad de la luz”.
Estos nanotubos son realmente nano —100.000 veces más delgados que un cabello humano— y los investigadores los suspendieron individualmente en agua. Un análisis microscópico demostró que, al añadir luz, los nanotubos se comportaban como si se movieran en un líquido más denso. La idea era intentar observar más de cerca la fricción cuántica, la resistencia que surge cuando las cargas eléctricas fluctuantes dentro de un material sólido se acoplan con las moléculas de un líquido circundante.
A medida que los nanotubos brillaban y disminuían su velocidad bajo la luz, los investigadores observaron que se estaban creando excitones dentro del nanotubo: partículas energéticas emparejadas (compuestas por un electrón y un “hueco” donde antes había un electrón).
Estos excitones se acoplan con las moléculas de agua circundantes, transfiriendo momento.
“Lo fascinante es que este efecto desaparece por completo cuando utilizamos nanotubos en los que las excitaciones electrónicas que dan lugar a la fluorescencia, conocidas como excitones, se ralentizan en los defectos”, afirma Kruss.
“Esto significa que es la movilidad de los excitones a lo largo del nanotubo la que está en intercambio directo con el entorno y crea este efecto de desaceleración”.
Se utilizó una técnica conocida como espectroscopia de terahercios (THz) para detectar la actividad a nivel molecular. La tecnología THz utiliza ondas electromagnéticas para medir la energía y el movimiento molecular; en este caso, la transferencia de energía al agua.
“Se produce una transferencia de momento minúscula pero medible”, afirma la física teórica Marialore Sulpizi, de la Universidad Ruhr de Bochum.
“El agua no constituye un medio liso para el nanotubo iluminado, sino que presenta una resistencia en la superficie que ralentiza su movimiento”.
Por lo que sabemos hasta ahora sobre la fricción cuántica, se diferencia de la fricción convencional —el roce y la fricción entre dos superficies— en que opera a nivel electrónico. No se requiere contacto físico real: son las cargas eléctricas fluctuantes e interactivas las que provocan la fricción.
Y eso es lo que se evidencia aquí. A medida que las cargas móviles dentro del nanotubo interactúan con las moléculas de agua, todo se ralentiza.
Básicamente, la luz actúa como un freno sobre el material. Los experimentos también revelan una difuminación de los límites entre la física de sólidos y la física de líquidos a nanoescala. Es bien sabido que en las escalas más pequeñas comienzan las rarezas cuánticas, y esta es la demostración más reciente.
Si los investigadores logran controlar la fricción con luz, podrían derivarse aplicaciones reales y prácticas de estos hallazgos. Entre los ejemplos que ofrece el equipo de investigación se incluyen guiar el movimiento de nanorobots a través de un líquido y alterar con precisión las condiciones de las reacciones químicas.
“Este conocimiento de que podemos controlar la fricción en la interfaz con el líquido mediante la excitación electrónica en el sólido abre puertas completamente nuevas en la ciencia de los materiales y la nanotecnología”, afirma la química física Martina Havenith, de la Universidad Ruhr de Bochum.
La investigación ha sido publicada en Nature.
Fuente: Science Alert.
