『Nature』誌に掲載された研究では、光は物質を照らすだけでなく、水中に浮遊するカーボンナノチューブの「速度を落とす」可能性があることを示している。研究者らは、水中のカーボンナノチューブに光を当てると、これらの小さな構造の拡散速度が低下し、光が強いほどその動きが遅くなることを発見した。この現象を研究チームは「光誘起量子摩擦」と呼んでいる。
量子摩擦自体はかなり直観に反する概念です。これは、従来の意味での 2 つの表面間の直接摩擦によって生じる抗力ではなく、2 つの表面間、または表面と液体の間に現れる可能性のある量子「ノイズ」によって生じる抗力です。ルール大学ボーフムの理論物理学者であり、この研究のモデリングとシミュレーションの責任者であるマリアローレ・スルピジ氏は、この現象は古典力学の説明の範囲を超えており、その抵抗は量子力学の法則に従う電子の特別な振る舞いから来ていると述べた。
研究チームは当初、摩擦を探すために実験を行ったわけではなかった。研究チームは、近赤外光で発光するカーボンナノチューブの一種を研究しており、生体イメージングに適しているとして注目を集めている。しかし、水中でのこれらのナノチューブのランダムな動きを観察しているときに、彼らは予期せぬ異常を発見しました。光が材料に当たると、粒子の動きが以前より遅くなったのです。実験が続くにつれて、チームは化学的手段を使用してナノチューブの発光強度を調整しましたが、結果は依然として同じでした。発光が強いほど、拡散は遅くなります。発光が弱ければ強いほど、移動速度は速くなります。
研究者らは、その答えの鍵は、光を吸収したときのカーボンナノチューブの反応にあると考えている。光を吸収した後、励起子と呼ばれる短命の励起状態を生成します。多くの材料とは異なり、カーボン ナノチューブ内の励起子はチューブ本体に沿って移動できます。これらの励起子は移動する際に変動する電荷を運び、不均衡な電荷を持つ近くの水分子と相互作用するため、ナノチューブと水の界面に追加の抗力が生じ、最終的に全体の摩擦が増大し、拡散が遅くなります。
このメカニズムを検証するために、研究チームはコンピューターシミュレーションを実施し、さらにカーボンナノチューブに化学的欠陥を導入して励起子を所定の位置に「トラップ」した。結果は、励起子が移動する能力を失うと、光誘起摩擦効果が完全に消えることを示しました。スルピジ教授は、これは励起子が局在化すると、同じように水と相互作用できなくなることを示していると述べている。これは、この種の量子摩擦が固定された材料特性ではなく、制御でき、さらにはオン/オフを制御できる現象であることも意味します。
ルール大学ボーフム大学の物理化学者で、この研究の共著者でもあるセバスティアン・クルス氏は、通常、システムにエネルギーを入力すると、システムの動きは遅くなるのではなく、速くなるため、この結果は驚くべきことだと指摘する。しかし、この作品は、光が常に動きを引き起こすわけではないことを示しているだけです。また、量子レベルでの相互作用を通じて材料にブレーキをかけることもできます。スルピジ教授は、今回の研究は量子摩擦が光によって誘発され制御できることを初めて示しており、これはこれまで観察されたことのない新しい現象であると述べた。
この発見の影響は実験室に限定されません。炭素材料と水の間の界面の挙動は、長い間研究者を悩ませてきました。たとえば、水はカーボンナノチューブやグラフェンの表面で予想とは異なる流れをすることがよくあり、量子効果がその理由の1つであると長い間考えられてきました。この研究は、この理論にこれまでで最も直接的な実験的裏付けを提供するとともに、密接に接触している光、物質、液体の間の複雑な関係を理解するための新たな手がかりも提供します。
しかし、研究はまだ終わっていません。研究チームは、光の異なる波長の下でこの効果がどのように変化するのか、あるいは同様の挙動が他のナノ材料でも起こるかどうかについてはまだ分かっていない。しかし、より広い意味で、この結果は、光、励起状態、および直接作用できる環境との間に微視的な関係があることを示した。このつながりは重要であるだけでなく、将来の材料やナノテクノロジーの研究に新たな応用の方向性をもたらす可能性があります。