Nature에 발표된 연구에 따르면 빛은 물질을 밝힐 뿐만 아니라 물에 떠 있는 탄소 나노튜브의 속도를 늦출 수도 있습니다. 연구진은 물 속의 탄소나노튜브에 빛을 비추면 이 작은 구조의 확산 속도가 감소하고, 빛이 강할수록 움직임이 느려지는 것을 발견했는데, 이 현상을 연구팀은 '빛 유발 양자 마찰'이라고 부른다.

양자 마찰 자체는 다소 반직관적인 개념입니다. 이는 전통적인 의미에서 두 표면 사이의 직접적인 마찰로 인해 발생하는 항력이 아니라 두 표면 사이 또는 표면과 액체 사이에 나타날 수 있는 양자 "잡음"으로 인해 발생하는 항력입니다. 루르 대학교 보훔(Ruhr University Bochum)의 이론 물리학자이자 본 연구의 모델링 및 시뮬레이션 책임자인 Marialore Sulpizi는 이러한 현상은 고전 역학의 설명 범위를 벗어나며, 그 저항은 양자 역학의 법칙을 따르는 전자의 특별한 거동에서 비롯된다고 말했습니다.

연구팀은 처음에는 마찰을 찾기 위한 실험을 진행하지 않았다. 그들은 근적외선으로 빛을 방출하는 일종의 탄소나노튜브를 연구하고 있었는데, 이는 생물학적 이미징에 적합하다는 점에서 주목받고 있는 물질입니다. 그러나 물 속에서 나노튜브의 무작위 움직임을 관찰하던 중 그들은 예기치 않게 이상 현상을 발견했습니다. 빛이 물질에 닿으면 입자가 이전보다 느리게 움직였습니다. 실험이 계속됨에 따라 연구팀은 화학적 수단을 사용하여 나노튜브의 발광 강도를 조정했지만 결과는 여전히 동일했습니다. 발광이 강할수록 확산이 느려졌습니다. 발광이 약할수록 더 빨리 움직였습니다.

연구자들은 그 답의 열쇠가 탄소 나노튜브가 빛을 흡수할 때 반응하는 방식에 있다고 믿습니다. 빛을 흡수한 후 엑시톤(exciton)이라는 짧은 수명의 여기 상태를 생성합니다. 많은 물질과 달리 탄소 나노튜브의 엑시톤은 튜브 본체를 따라 이동할 수 있습니다. 이러한 엑시톤은 불균형한 전하로 근처의 물 분자와 이동하고 상호 작용할 때 변동하는 전하를 운반하여 나노튜브와 물 사이의 경계면에 추가적인 항력을 생성하여 궁극적으로 전반적인 마찰을 증가시키고 확산을 느리게 합니다.

이 메커니즘을 검증하기 위해 팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고 여기자를 제자리에 "가두기" 위해 탄소 나노튜브에 화학적 결함을 추가로 도입했습니다. 결과는 엑시톤이 이동 능력을 잃으면 빛에 의한 마찰 효과가 완전히 사라진다는 것을 보여주었습니다. Sulpizi는 이것이 엑시톤이 국지화되면 더 이상 같은 방식으로 물과 상호작용할 수 없다는 것을 보여준다고 말했습니다. 이는 또한 이런 종류의 양자마찰이 고정된 물질적 성질이 아니라 조절될 수 있고 심지어 온오프 제어될 수 있는 현상이라는 것을 의미한다.

Ruhr-Universität Bochum의 물리화학자이자 이번 연구의 공동 저자인 Sebastian Kruss는 일반적으로 시스템에 에너지를 입력하면 시스템이 느리게 움직이는 것이 아니라 더 빠르게 움직이기 때문에 이 결과가 놀랍다고 지적합니다. 하지만 이 연구는 빛이 항상 움직임을 유도하는 것은 아니라는 점을 보여줍니다. 또한 양자 수준의 상호작용을 통해 물질에 브레이크를 걸 수도 있습니다. 설피지 교수는 이번 연구를 통해 양자마찰이 빛에 의해 유도되고 제어될 수 있다는 사실을 처음으로 보여줬다고 말했는데, 이는 이전에 관찰된 적이 없는 새로운 현상이다.

이 발견의 의미는 실험실에만 국한되지 않습니다. 탄소 물질과 물 사이의 경계면의 거동은 오랫동안 연구자들을 당황하게 했습니다. 예를 들어, 탄소나노튜브나 그래핀 표면에서는 물이 예상과 다르게 흐르는 경우가 많으며, 오랫동안 양자 효과가 그 이유 중 하나로 여겨져 왔습니다. 이번 연구는 이 이론에 대한 지금까지의 가장 직접적인 실험적 뒷받침을 제공하며, 밀접하게 접촉하는 빛, 물질, 액체 사이의 복잡한 관계를 이해하기 위한 새로운 단서를 제공합니다.

그러나 연구는 아직 끝나지 않았습니다. 연구팀은 이 효과가 다양한 빛의 파장에 따라 어떻게 변하는지, 또는 다른 나노물질에서도 유사한 행동이 나타나는지 아직 알지 못합니다. 그러나 더 넓은 의미에서 이 결과는 빛, 여기 상태 및 직접적으로 작용할 수 있는 환경 사이에 미세한 연관성이 있음을 보여주었습니다. 이러한 연결은 중요할 뿐만 아니라 미래의 재료 및 나노기술 연구에 새로운 응용 방향을 제시할 수도 있습니다.