Bochumer Team setzt Licht als Bremse ein
Durch Quantenreibung, ein bislang kaum verstandenes Phänomen, können Photonen Bewegungen in der Nanowelt verlangsamen.
Eigentlich erwartet man, dass Licht Teilchen in Bewegung setzt oder erwärmt. Doch ein interdisziplinäres Team der Ruhr-Universität Bochum hat nun das Gegenteil bewiesen. In wässriger Lösung bewegen sich fluoreszierende Kohlenstoffnanoröhren deutlich langsamer, sobald sie mit Licht bestrahlt werden. Die Diffusionskonstante sinkt dabei linear mit der Lichtintensität – ein Effekt, der auf einer direkten Kopplung zwischen Elektronen im Festkörper und den Molekülen der Flüssigkeit beruht. Das Forschungsteam um die Professor:innen Sebastian Kruss, Marialore Sulipizi und Martina Havenith beschreibt das bislang unbekannte Phänomen in einer neuen Publikation. „Diese Entdeckung der lichtinduzierten Quantenreibung verändert unser Verständnis von Grenzflächenprozessen grundlegend“, so Kruss.
Die in den Experimenten eingesetzten Nanoröhren bestehen aus einem wabenförmigen Kohlenstoff-Geflecht und sind 100.000-mal dünner als ein menschliches Haar. Scheint sichtbares Licht auf sie, fluoreszieren sie.
Das Team beobachtete die Bewegung der Nanoröhren unter dem Mikroskop. Sobald die Röhren durch Licht angeregt wurden, verhielten sie sich so, als sei das umgebende Wasser plötzlich zäher geworden. „Unsere Experimente zeigen, dass die Diffusion abnimmt, wenn wir die Lichtintensität erhöhen“, erklärt Kruss, Professor für Physikalische Chemie. „Das Faszinierende ist, dass dieser Effekt sofort verschwindet, wenn wir Nanoröhren verwenden, bei denen die elektronischen Anregungen, die zur Fluoreszenz führen – die Exzitonen – an Defekten verlangsamt werden. Es ist also die Beweglichkeit der Exzitone entlang der Nanoröhre, die in direktem Austausch mit der Umgebung steht und diese Bremswirkung erzeugt.“
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Um zu verstehen, wie ein Exziton im Inneren einer Nanoröhre die Bewegung des gesamten Objekts im Wasser verlangsamen kann, waren numerische Berechnungen notwendig. Hierzu nutzte das Team atomistische Simulationen, um die Prozesse an der Grenzfläche sichtbar zu machen. „Dadurch konnten wir zeigen, dass die fluktuierenden Dipolmomente der Exzitonen in den Nanoröhren direkt an die kollektiven Bewegungen der Wassermoleküle koppeln“, erklärt Marialore Sulpizi, Professorin für Theoretische Physik. „Es findet ein winziger, aber messbarer Impulsübertrag statt. Das Wasser ist für die beleuchtete Nanoröhre kein glattes Medium, sondern es entsteht ein Widerstand an der Oberfläche, der die Bewegung bremst.“
Dass Wasser weit mehr ist als nur ein passives Lösungsmittel, ist ein Kernthema des Bochumer Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation (RESOLV). Mithilfe von Terahertzspektroskopie konnte das Team die sofortige Kopplung zwischen der Nanoröhre und dem Wasser experimentell nachweisen.
„Wir konnten mit der THz-Spektroskopie herausfinden, wie die Reibung und die Energieabgabe ins Wasser nach einer Anregung von elektronischen Zuständen der Nanoröhre in Echtzeit erfolgen“, ordnet Martina Havenith, Sprecherin von RESOLV, die Ergebnisse ein. „Es ist ein Paradebeispiel dafür, wie Solvatation – also die Wechselwirkung mit der Umgebung – physikalische Eigenschaften wie die Reibung dominiert. Diese Erkenntnis, dass wir über die elektronische Anregung im Festkörper die Reibung an der Grenzfläche zur Flüssigkeit steuern können, eröffnet völlig neue Wege in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie.“
Die Entdeckung der lichtinduzierten Quantenreibung zeigt, dass die Grenzen zwischen Festkörperphysik und Flüssigkeiten auf der Nanoskala verschwimmen. Die Kontrolle dieser Reibung durch Licht bietet Potenzial für Anwendungen, bei denen Transportprozesse in kleinsten Dimensionen präzise gesteuert werden müssen. [RUB / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
T. Kistwal, K. Kanhaiya, A. Buchmann, et al., Light-induced quantum friction of carbon nanotubes in water, Nature 654, 941–947, 25. Juni 2026; DOI: 10.1038/s41586-026-10632-2 - Exzellenzcluster 2033, Ruhr Explores Solvation (RESOLV), www.solvation.de, Ruhr-Universität Bochum, TU Dortmund u.a.
- Theoretische Physik elektrifizierter flüssig-fest Grenzflächen (Marialore Sulpizi), Festkörperphysik / Materialwissenschaften, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum
