Luz ativa atrito quântico e freia nanotubos em água

Os fundamentos da luz continuam a intrigar cientistas e a expor novos segredos - inclusive situações em que seus efeitos parecem contrariar a intuição.

Em geral, o senso comum diz que a luz acrescenta energia: aquece partículas ou as coloca em movimento.

Só que pesquisadores acabam de observar a luz fazendo o inverso, funcionando como um freio invisível em escalas quase impossíveis de imaginar.

Em um novo estudo publicado na Nature, uma equipe liderada por cientistas da Universidade do Ruhr em Bochum, na Alemanha, constatou que nanotubos fluorescentes em malha de carbono se deslocam muito mais devagar quando são irradiados com luz em uma solução aquosa.

Quanto mais intensa a iluminação, mais lenta fica a movimentação - ou, de forma mais específica, menor se torna a constante de difusão, que indica o quão livremente uma partícula se move dentro de um líquido.

Os pesquisadores concluíram que isso se deve, ao menos em parte, ao chamado atrito quântico.

O atrito quântico é um fenômeno identificado recentemente, e a comunidade científica ainda está começando a mapear tudo o que ele pode provocar.

"Essa descoberta de atrito quântico induzido por luz muda fundamentalmente nossa compreensão dos processos interfaciais", afirma o químico físico Sebastian Kruss, da Universidade do Ruhr em Bochum.

"Nossos experimentos mostram que a difusão diminui quando aumentamos a intensidade da luz."

O experimento com nanotubos em água

Esses nanotubos são realmente nano: têm espessura 100.000 vezes menor do que a de um fio de cabelo humano. No estudo, eles foram suspensos individualmente em água.

Com análises microscópicas, os autores verificaram que, ao adicionar luz, os nanotubos passaram a se comportar como se estivessem nadando em um líquido mais viscoso.

A proposta era observar mais de perto o atrito quântico - um tipo de arrasto que surge quando cargas elétricas flutuantes dentro de um material sólido se acoplam às moléculas do líquido ao redor.

Atrito quântico induzido por luz e o papel dos éxcitons

À medida que os nanotubos brilhavam e desaceleravam sob a iluminação, os pesquisadores notaram a formação de éxcitons no interior do nanotubo: pares de partículas energéticas (um elétron e uma "lacuna" no ponto onde antes havia um elétron).

Esses éxcitons se acoplam às moléculas de água ao redor, transferindo momento.

"O que é fascinante é que esse efeito desaparece completamente quando usamos nanotubos nos quais as excitações eletrônicas que levam à fluorescência - conhecidas como éxcitons - são desaceleradas em defeitos", diz Kruss.

"Isso significa que é a mobilidade dos éxcitons ao longo do nanotubo que está em troca direta com o ambiente e cria esse efeito de desaceleração."

Para detectar o que acontece em escala molecular, foi empregada uma técnica chamada espectroscopia em terahertz (THz).

O THz utiliza ondas eletromagnéticas para medir energia e movimento em nível molecular - aqui, especificamente, a transferência de energia para a água.

"Ocorre uma transferência minúscula, mas mensurável, de momento", diz a física teórica Marialore Sulpizi, da Universidade do Ruhr em Bochum.

"A água não é um meio liso para o nanotubo iluminado; em vez disso, há uma resistência na superfície que desacelera o movimento."

Por que esse atrito é diferente do atrito comum

Até onde se sabe atualmente, o atrito quântico não funciona como o atrito padrão - o choque e o desgaste de duas superfícies em contato. Ele atua no nível dos elétrons. Não é necessário contato físico direto: são as cargas elétricas, flutuantes e interagindo entre si, que produzem o atrito.

É exatamente isso que aparece nos resultados. Conforme as cargas em movimento dentro do nanotubo interagem com as moléculas de água, o conjunto perde velocidade.

Na prática, a luz passa a atuar como um freio do material.

Os testes também sugerem que, na nanoescala, a fronteira entre a física dos sólidos e a física dos líquidos fica menos nítida. Já é bem conhecido que, em dimensões mínimas, começam a emergir as peculiaridades quânticas - e este é mais um exemplo disso.

Usos possíveis se o atrito puder ser controlado com luz

Se os cientistas conseguirem regular o atrito com iluminação, os achados podem ter aplicações concretas.

Entre os exemplos citados pela equipe estão orientar o deslocamento de nanorrobôs em um líquido e ajustar com precisão as condições de reações químicas.

"Esse conhecimento de que podemos controlar o atrito na interface com o líquido por meio da excitação eletrônica no sólido abre portas totalmente novas na ciência de materiais e na nanotecnologia", afirma a química física Martina Havenith, da Universidade do Ruhr em Bochum.

A pesquisa foi publicada na Nature.

Este artigo passou por checagem de fatos e edição por Rebecca Dyer. Embora tenhamos orgulho do nosso processo, somos humanos. Se você encontrar algum erro, por favor, avise.