Lichtinduzierte Diffusionsänderung an Grenzflächen

Licht setzt Teilchen im Normalfall in Bewegung oder erwärmt sie. Ein interdisziplinäres Team der Ruhr-Universität Bochum bewies nun jedoch das Gegenteil. Fluoreszierende Kohlenstoffnanoröhren bewegen sich in wässriger Lösung unter Lichteinstrahlung deutlich langsamer. Die Diffusionskonstante sinkt dabei linear zur Lichtintensität. Diese Entdeckung beruht auf einer direkten Kopplung zwischen Festkörperelektronen und Flüssigkeitsmolekülen. Die Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Sebastian Kruss, Prof. Dr. Marialore Sulpizi und Prof. Dr. Martina Havenith beschreiben dieses neue Phänomen. „Diese Entdeckung der lichtinduzierten Quantenreibung verändert unser Verständnis von Grenzflächenprozessen grundlegend“, so Kruss.

Experimenteller Nachweis der reduzierten Nanopartikeldiffusion

Die genutzten Kohlenstoffnanoröhren besitzen ein wabenförmiges Gitter. Sie sind 100.000-mal dünner als ein menschliches Haar. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht zeigen die Nanoröhren Fluoreszenz. Die Forschenden analysierten die Partikelbewegung mittels optischer Mikroskopie. Nach der Lichtanregung verhielten sich die Nanoröhren wie in einem viskoseren Medium. „Unsere Experimente zeigen, dass die Diffusion abnimmt, wenn wir die Lichtintensität erhöhen“, erklärt Kruss. „Das Faszinierende ist, dass dieser Effekt sofort verschwindet, wenn wir Nanoröhren verwenden, bei denen die elektronischen Anregungen, welche zur Fluoreszenz führen – die sogenannten 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.“

Modellierung des intermolekularen Impulsübertrags

Numerische Berechnungen erklärten die Verlangsamung des Gesamtsystems durch interne Exzitonenbewegung. Das Team visualisierte die Grenzflächenprozesse mittels atomistischer Simulationen. „Dadurch konnten wir zeigen, dass die fluktuierenden Dipolmomente der Exzitonen in den Nanoröhren direkt an die kollektiven Bewegungen der Wassermoleküle koppeln“, erklärt Marialore Sulpizi. „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.“

THz-spektroskopische Validierung der Solvatationsdynamik

Wasser agiert hierbei nicht als passives Lösungsmittel. Dies ist ein Kernthema des Bochumer Exzellenzclusters RESOLV. Das Team wies die ultraschnelle Kopplung experimentell mittels Terahertz (THz)-Spektroskopie nach.

„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 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.“

Das Phänomen der lichtinduzierten Quantenreibung lässt die Grenzen zwischen Festkörperphysik und Chemie verschwimmen. Die optische Kontrolle dieser Reibung ermöglicht neue Anwendungen. Dadurch lassen sich nanoskalige Transportprozesse künftig präzise steuern.

Quelle

Ruhr-Universität Bochum (06/2026)