Um estudo publicado na Nature mostra que a luz não só ilumina o material, mas também pode “desacelerar” os nanotubos de carbono suspensos na água. Os pesquisadores descobriram que quando iluminavam nanotubos de carbono na água, a taxa de difusão dessas pequenas estruturas diminuía e, quanto mais forte a luz, mais lentamente elas se moviam, um fenômeno que a equipe chama de “fricção quântica induzida pela luz”.
O próprio atrito quântico é um conceito bastante contra-intuitivo. Não é uma força de arrasto causada pelo atrito direto entre duas superfícies no sentido tradicional, mas uma força de arrasto causada por “ruído” quântico que pode aparecer entre duas superfícies, ou entre uma superfície e um líquido. Marialore Sulpizi, física teórica da Ruhr University Bochum e chefe de modelagem e simulação deste estudo, disse que esse fenômeno está além do escopo de explicação da mecânica clássica, e sua resistência vem do comportamento especial dos elétrons que seguem as leis da mecânica quântica.
A equipe de pesquisa inicialmente não conduziu o experimento para procurar atrito. Eles estudavam um tipo de nanotubo de carbono que emite luz no infravermelho próximo, tipo de material que tem chamado a atenção por sua adequação para imagens biológicas. Mas ao observarem o movimento aleatório destes nanotubos na água, descobriram inesperadamente uma anomalia: quando a luz atingiu o material, as partículas moveram-se mais lentamente do que antes. À medida que a experiência prosseguia, a equipa utilizou meios químicos para ajustar a intensidade da luminescência dos nanotubos, e os resultados continuaram os mesmos – quanto mais forte a luminescência, mais lenta é a difusão; quanto mais fraca a luminescência, mais rápido eles se moviam.
Os pesquisadores acreditam que a chave para a resposta está na forma como os nanotubos de carbono respondem quando absorvem luz. Depois de absorver a luz, eles produzem um estado excitado de curta duração denominado exciton; ao contrário de muitos materiais, os excitons nos nanotubos de carbono podem se mover ao longo do corpo do tubo. Esses excitons carregam cargas flutuantes à medida que se movem e interagem com moléculas de água próximas com cargas desequilibradas, criando forças de arrasto adicionais na interface entre os nanotubos e a água, aumentando o atrito geral e retardando a difusão.
Para verificar este mecanismo, a equipe conduziu simulações de computador e introduziu ainda defeitos químicos nos nanotubos de carbono para “prender” os excitons no lugar. Os resultados mostraram que, uma vez que os excitons perdem a capacidade de se mover, o efeito de fricção induzido pela luz desaparece completamente. Sulpizi diz que isso mostra que, uma vez localizados, os excitons não podem mais interagir com a água da mesma maneira. Isso também significa que esse tipo de atrito quântico não é uma propriedade material fixa, mas um fenômeno que pode ser regulado e até mesmo controlado de forma intermitente.
Sebastian Kruss, físico-químico da Ruhr-Universität Bochum e coautor do estudo, aponta que este resultado é surpreendente porque normalmente a entrada de energia num sistema faz com que ele se mova mais rápido, não mais lento. Mas este trabalho apenas mostra que a luz nem sempre impulsiona o movimento; também pode frear os materiais por meio de interações no nível quântico. Sulpizi disse que esta pesquisa mostra pela primeira vez que o atrito quântico pode ser induzido e controlado pela luz, um fenômeno novo que nunca foi observado antes.
As implicações desta descoberta não se limitam ao laboratório. O comportamento da interface entre materiais de carbono e água há muito intriga os pesquisadores. Por exemplo, a água muitas vezes flui de forma diferente do esperado na superfície dos nanotubos de carbono ou do grafeno, e há muito que se pensa que os efeitos quânticos são uma das razões. Esta pesquisa fornece o suporte experimental mais direto até o momento para esta teoria, e também fornece novas pistas para a compreensão da complexa relação entre luz, matéria e líquidos em contato próximo.
No entanto, a pesquisa ainda não terminou. A equipe ainda não sabe como esse efeito muda sob diferentes comprimentos de onda de luz, ou se um comportamento semelhante ocorre em outros nanomateriais. Mas num sentido mais amplo, este resultado mostrou que existe uma conexão microscópica entre a luz, os estados excitados e o ambiente que pode atuar diretamente. Esta conexão não é apenas importante, mas também pode trazer novas direções de aplicação em futuras pesquisas em materiais e nanotecnologia.