Científicos alemanes observan por primera vez fricción cuántica inducida por luz en nanotubos de carbono

El descubrimiento contradice la intuición básica de la física: normalmente, cuando se añade energía a un sistema, se espera que se mueva más rápido, no más lento. Sin embargo, el equipo alemán observó exactamente lo contrario al iluminar nanotubos de carbono suspendidos en agua.

"Normalmente, si pones energía en un sistema, esperarías que se moviera más rápido, no más lento", dijo Sebastian Kruss, químico físico de la Universidad del Ruhr en Bochum y coautor del estudio, según Refractor. "Esto fue un poco contraintuitivo".

El fenómeno, denominado fricción cuántica inducida por luz, representa un avance significativo en la comprensión de cómo la luz, la materia y los líquidos interactúan a nivel cuántico. Aunque la fricción cuántica ha sido estudiada teóricamente durante años, observarla en tiempo real ha resultado extraordinariamente difícil hasta ahora.

**Qué es la fricción cuántica**

La fricción cuántica es un concepto que va más allá de la mecánica clásica. A diferencia de la fricción convencional que surge del contacto directo entre superficies, la fricción cuántica es una fuerza de arrastre que emerge entre dos superficies, o entre una superficie y un líquido, como resultado del "ruido" cuántico que llena el vacío entre objetos.

"El fenómeno de la fricción cuántica va más allá de la mecánica clásica", explicó Marialore Sulpizi, física teórica de la Universidad del Ruhr en Bochum, quien dirigió el modelado y las simulaciones del trabajo, según Refractor. "En la fricción cuántica, esta resistencia surge del comportamiento especial de los electrones, que obedecen las leyes de la mecánica cuántica".

**El descubrimiento accidental**

El equipo no estaba originalmente buscando fricción. Los investigadores trabajan con nanotubos de carbono, estructuras conocidas por su capacidad de fluorescer en luz infrarroja cercana, una propiedad útil para imágenes biológicas, según el estudio publicado en Nature.

Sin embargo, cuando iluminaron los nanotubos y rastrearon su movimiento aleatorio en agua, algo no cuadraba: las partículas se desplazaban más lentamente que antes de que la luz las alcanzara.

"Todo comenzó con la observación experimental de que los nanotubos de carbono se ralentizan bajo iluminación. Comenzamos a discutir el posible origen físico de este fenómeno", dijo Sulpizi, según Refractor.

Los investigadores también ajustaron químicamente los nanotubos, utilizando compuestos que los hacían brillar más o menos intensamente. Los resultados fueron consistentes: mayor fluorescencia significaba difusión más lenta a través del agua, mientras que fluorescencia más tenue significaba movimiento más rápido.

**El mecanismo detrás del fenómeno**

La respuesta se redujo a cómo los nanotubos responden a la luz. Cuando absorben luz, generan estados excitados de corta duración llamados excitones. A diferencia de la mayoría de los materiales, los excitones en los nanotubos de carbono son móviles; viajan a lo largo de la longitud del tubo, según el estudio.

A medida que se mueven, transportan cargas eléctricas fluctuantes que tiran de las moléculas de agua cercanas, que tienen su propio desequilibrio de carga eléctrica. Esa interacción crea una fuerza de arrastre adicional en la interfaz nanotubo-agua, aumentando la fricción general.

Para confirmar el mecanismo, el equipo ejecutó simulaciones computacionales y luego introdujo defectos químicos en los nanotubos. Los defectos atraparon los excitones en su lugar, impidiendo que se movieran. Una vez localizados, la fricción inducida por luz desapareció por completo, según los resultados publicados en Nature.

"Nuestra interpretación es que una vez que el excitón está localizado y ya no puede moverse, no puede interactuar con el agua de la misma manera", dijo Kruss, según Refractor.

**Un efecto que puede controlarse**

Ese hallazgo hace más que explicar la desaceleración; demuestra que este efecto puede activarse y desactivarse. La fricción cuántica, en este caso, no es una propiedad fija del material. Es algo que puede ajustarse.

"Este estudio muestra que la fricción cuántica puede ser inducida y controlada por luz", dijo Sulpizi, según Refractor. "Este es un fenómeno nuevo que no se había observado antes".

**Implicaciones más allá del laboratorio**

El descubrimiento tiene relevancia más allá del banco de laboratorio. Las interfaces carbono-agua han desconcertado durante mucho tiempo a los investigadores; el agua se comporta de manera inusual cuando fluye a través de nanotubos de carbono o sobre superficies de grafeno, y los efectos cuánticos se han propuesto como una explicación. Este estudio proporciona a esa teoría su base experimental más concreta hasta la fecha, según Refractor.

"Es una prueba experimental de una predicción teórica", dijo Kruss, según Refractor. "Pero también muestra que hay una interacción directa entre los estados excitados y su entorno. Fundamentalmente, eso es bastante importante".

**Preguntas pendientes**

El trabajo no está terminado. El equipo aún no sabe cómo varía el efecto con diferentes longitudes de onda de luz, o si aparece un comportamiento similar en otros nanomateriales, según Refractor.

Mientras tanto, los investigadores se centran en lo que el resultado revela sobre la física fundamental de la luz, la materia y el líquido en contacto cercano. El estudio representa la evidencia experimental más clara hasta el momento de que la fricción puede surgir no solo de superficies que se muelen juntas, sino también de efectos cuánticos en la interfaz entre materia y líquido.

La investigación fue publicada en la revista Nature y verificada por Mike McRae, según Refractor. El trabajo fue realizado por investigadores de la Universidad del Ruhr en Bochum, Alemania.