Une étude publiée dans Nature montre que la lumière non seulement éclaire le matériau, mais peut également « ralentir » les nanotubes de carbone en suspension dans l'eau. Les chercheurs ont découvert que lorsqu’ils éclairaient des nanotubes de carbone dans l’eau, le taux de diffusion de ces minuscules structures diminuait et plus la lumière était forte, plus elles se déplaçaient lentement, un phénomène que l’équipe appelle « friction quantique induite par la lumière ».

La friction quantique en elle-même est un concept plutôt contre-intuitif. Il ne s'agit pas d'une force de traînée provoquée par un frottement direct entre deux surfaces au sens traditionnel du terme, mais d'une force de traînée provoquée par un « bruit » quantique qui peut apparaître entre deux surfaces, ou entre une surface et un liquide. Marialore Sulpizi, physicienne théoricienne à l'Université de la Ruhr à Bochum et responsable de la modélisation et de la simulation de cette étude, a déclaré que ce phénomène dépasse le cadre de l'explication de la mécanique classique et que sa résistance provient du comportement particulier des électrons qui suivent les lois de la mécanique quantique.

L’équipe de recherche n’a pas initialement mené l’expérience pour rechercher la friction. Ils étudiaient un type de nanotube de carbone qui émet de la lumière dans le proche infrarouge, un type de matériau qui a attiré l'attention pour son aptitude à l'imagerie biologique. Mais en observant le mouvement aléatoire de ces nanotubes dans l’eau, ils ont découvert de manière inattendue une anomalie : lorsque la lumière frappait le matériau, les particules se déplaçaient plus lentement qu’auparavant. Au fur et à mesure que l'expérience se poursuivait, l'équipe a utilisé des moyens chimiques pour ajuster l'intensité de luminescence des nanotubes, et les résultats étaient toujours les mêmes : plus la luminescence était forte, plus la diffusion était lente ; plus la luminescence est faible, plus ils se déplacent rapidement.

Les chercheurs pensent que la clé de la réponse réside dans la façon dont les nanotubes de carbone réagissent lorsqu'ils absorbent la lumière. Après avoir absorbé la lumière, ils produisent un état excité de courte durée appelé exciton ; contrairement à de nombreux matériaux, les excitons des nanotubes de carbone peuvent se déplacer le long du corps du tube. Ces excitons portent des charges fluctuantes lorsqu'ils se déplacent et interagissent avec des molécules d'eau proches avec des charges déséquilibrées, créant des forces de traînée supplémentaires à l'interface entre les nanotubes et l'eau, augmentant finalement la friction globale et ralentissant la diffusion.

Pour vérifier ce mécanisme, l’équipe a mené des simulations informatiques et introduit des défauts chimiques dans les nanotubes de carbone pour « piéger » les excitons en place. Les résultats ont montré qu’une fois que les excitons perdent leur capacité de mouvement, l’effet de friction induit par la lumière disparaît complètement. Sulpizi dit que cela montre qu'une fois les excitons localisés, ils ne peuvent plus interagir avec l'eau de la même manière. Cela signifie également que ce type de friction quantique n’est pas une propriété matérielle fixe, mais un phénomène qui peut être régulé et même contrôlé de manière intermittente.

Sebastian Kruss, physico-chimiste à la Ruhr-Universität Bochum et co-auteur de l'étude, souligne que ce résultat est surprenant car l'apport normal d'énergie dans un système le fait se déplacer plus rapidement, et non plus lentement. Mais ce travail montre simplement que la lumière n’entraîne pas toujours le mouvement ; il peut également freiner les matériaux grâce à des interactions au niveau quantique. Sulpizi a déclaré que cette recherche montre pour la première fois que la friction quantique peut être induite et contrôlée par la lumière, ce qui est un nouveau phénomène qui n'a jamais été observé auparavant.

Les implications de cette découverte ne se limitent pas au laboratoire. Le comportement de l’interface entre les matériaux carbonés et l’eau a longtemps intrigué les chercheurs. Par exemple, l’eau s’écoule souvent différemment que prévu à la surface des nanotubes de carbone ou du graphène, et on a longtemps pensé que les effets quantiques en étaient l’une des raisons. Cette recherche constitue à ce jour le support expérimental le plus direct pour cette théorie et fournit également de nouveaux indices pour comprendre la relation complexe entre la lumière, la matière et les liquides en contact étroit.

Cependant, les recherches ne sont pas encore terminées. L’équipe ne sait pas encore comment cet effet change sous différentes longueurs d’onde de lumière, ni si un comportement similaire se produit dans d’autres nanomatériaux. Mais dans un sens plus large, ce résultat a montré qu’il existe un lien microscopique entre la lumière, les états excités et l’environnement qui peuvent agir directement. Cette connexion est non seulement importante, mais elle pourrait également ouvrir de nouvelles perspectives d’application dans les futures recherches sur les matériaux et les nanotechnologies.