Трение всегда казалось делом простым: потёр ладони — стало тепло, нажал на тормоз — машина остановилась. Две поверхности, шероховатости цепляются друг за друга, и движение замедляется. Без контакта трения не бывает. Так нас учили. Но реальность, как часто случается, оказалась хитрее.

Группа исследователей из Рурского университета в Бохуме под руководством физикохимика Себастьяна Крусса показала: свет способен создавать трение, не прикасаясь к объекту. Никаких поверхностей, которые трутся друг о друга. Только фотоны, вода и графеновые нанотрубки. Результаты опубликованы в журнале Nature, и они переворачивают привычное понимание того, как движутся частицы в жидкости.

Свет, который тормозит

Обычно всё просто: чем горячее среда, тем быстрее в ней движутся частицы. Тепловая энергия переходит в кинетическую, молекулы разгоняются, диффузия ускоряется. Это базовый принцип физики. Но когда учёные погрузили графеновые нанотрубки в воду и стали освещать их всё более ярким светом, трубки не ускорились. Они замедлились.

«Трение должно возрастать, когда поверхностная функция отклика субстрата перекрывается с низкочастотным спектром растворителя… это демонстрируется аномалиями гидродинамического трения на границе вода–углерод и быстрым охлаждением горячих электронов в графене в воде», — объяснил Крусс в исследовании.

Проще говоря: чем сильнее свет, тем сильнее невидимая сила, которая мешает трубкам двигаться. И эта сила — квантовое трение.

Чем графен удивил снова

Графен — материал, который не перестаёт удивлять. Один слой атомов углерода, выстроенных в идеальную решётку. Толщина — один атом, прочность — примерно в 200 раз выше стали, а гладкость такая, что на поверхности нет ни бугорков, ни впадин, которые можно нащупать даже самым чувствительным инструментом. Обычное трение от шероховатостей здесь исключено. Но трение всё равно возникло.

Загадка разрешилась, когда учёные посмотрели на электронные процессы. Свет выбивал электроны в более высокое энергетическое состояние, превращая их в экситоны — пары из возбуждённого электрона и положительно заряженной «дырки» на его прежнем месте. Заряды электрона и дырки гасят друг друга, поэтому экситон в целом нейтрален. Но он может переносить энергию и излучать свет — именно поэтому трубки светились под освещением.

Главное — образование экситонов создавало на поверхности графена колеблющиеся электрические заряды. Эти флуктуации передавали импульс молекулам воды на границе с графеном. Возникала сила сопротивления, которая росла с яркостью света. Больше света — больше экситонов — сильнее трение — медленнее движение.

Подтверждение и перспективы

Чтобы убедиться в механизме, исследователи применили терагерцовую спектроскопию. Когда экситоны убрали, трение исчезло полностью. Это стало прямым доказательством: именно свет и его квантовые эффекты, а не что-то иное, тормозили нанотрубки.

Открытие не просто теоретическая диковинка. Крусс видит практические применения: управляя квантовым трением с помощью света, можно ускорять или замедлять химические реакции по требованию. Ещё заманчивее — нанороботы. Микроскопические машины, которые однажды смогут исследовать человеческое тело изнутри или опускаться в самые глубокие впадины Марианской впадины, можно будет направлять, просто регулируя свет. Подобные идеи уже обсуждались в контексте управления роем микрочипов в атмосфере Марса.

«Светоиндуцированное замедление движения можно физически или химически манипулировать, чтобы влиять на перемещение наноматериала в водном растворе, — сказал Крусс. — Мы можем предвидеть будущие подходы к управлению движением микропловцов или нанороботов… результаты также поднимают вопрос, может ли этот эффект присутствовать в других системах с высокой подвижностью экситонов и флуктуациями зарядов».

Откуда взялась идея

Это исследование не возникло на пустом месте. В 2022 году учёные обнаружили, что положительный заряд молекул воды, колеблющийся при прохождении через углеродную нанотрубку, взаимодействует с отрицательно заряженными электронами в стенках трубки. На границе воды и углерода возникало ничтожно малое трение — не из-за шероховатости, а из-за электромагнитных взаимодействий. А в прошлом году команда из Ланьчжоуского института химической физики в Китае заметила, что складывание ультратонких листов графена возбуждает электроны и меняет их структуру, из-за чего трение на сгибах отклоняется от обычной линейной закономерности.

Крусс и его коллеги решили пойти дальше: что будет, если не просто складывать графен или пропускать через него воду, а осветить нанотрубки в жидкости? Ответ оказался неожиданным даже для них самих.

Вопрос без ответа

Остаётся открытым вопрос, насколько универсален этот эффект. Если квантовое трение от света возникает в графене, не проявится ли оно в других материалах с высокой подвижностью экситонов? И если да, то как это изменит наши представления о движении в микромире?

Пока ясно одно: границы между светом, материей и движением оказались более размытыми, чем считалось. А трение — тот самый «враг всего, от шин до досок для сёрфинга» — в квантовом мире ведёт себя совсем не так, как мы привыкли.