Was bedeutet Quantenreibung: Definition und Bedeutung
Die Quantenreibung ist ein Effekt, bei dem sich Moleküle durch eine gegenseitige Kopplung abbremsen. Dies wurde in einem Experiment mit Kunststoffnanoröhren nachgewiesen, durch die Wasser geleitet wurde. Dabei beobachteten Wissenschaftler, dass der Widerstand größer wird, je größer die Öffnung ist, was einen Widerspruch zum Alltag darstellt. Diese Erkenntnisse sind essentiell für die Nanotechnik. Die Entdeckung dieser Quantenreibung basiert auf den zwei Grundannahmen der Quantenphysik: dem Casimir-Effekt und den Van-der-Waals-Kräften.
Inhalt
Was ist Quantenreibung?
Bei der neuentdeckten Quantenreibung handelt es sich um einen quantenmechanischen Effekt. Um diesen Sachverhalt zu verstehen, ist es notwendig, zu wissen, was sich hinter der Quantenmechanik verbirgt. Dies ist eine physikalische Theorie der Neuzeit. Den Grundpfeiler legten mehrere Physiker zwischen 1925 und 1932, darunter Erwin Schrödinger und Paul Dirac, die 1933 einen Nobelpreis für ihre Forschungen erhielten.
Quantenreibung bei Moleküle
Die Quantenmechanik befasst sich mit materiellen Objekten und zerlegt sie in kleinste Teilchen wie Atome, Moleküle, Elementarteilchen oder makroskopische Materie. Für die Quantenreibung sind Moleküle essentiell. Dabei handelt es ich um Quantenteilchen, die aus mehreren Atomen bestehen, wie zum Beispiel Wasser, das aus zwei Wasserstoff-Atomen und einem Sauerstoffatom besteht. Die Verbindungen müssen unter irdischen Bedingungen mindestens so lange stabil bleiben, um beobachtet zu werden. Andernfalls gelten die Teilchen nicht als Molekül. Solche Nicht-Moleküle kommen bei interstellaren Stoffen vor, deren Verbindungen durch die Gravitationskraft zerfallen.
Quantenreibung der Atome
Der Begriff Atom stammt vom altgriechischen Wort atomos an und bedeutet unteilbar. Sie sind die kleinsten bekannten Teilchen, aus denen alles besteht. Atome besitzen einen Atomkern und eine Atomhülle. In dem Kern befinden sich positiv geladene (Protonen) oder ungeladene (Neutronen) Teilchen. Die Hülle enthält Teilchen mit negativer Ladung und heißen Elektronen. Letztere verursachen die Quantenreibung.
Quantenreibung der Plasmonen
Dies sind Quasiteilchen, das bedeutet, sie sind nicht als Teilchen im klassischen Sinne zu verstehen sind. Vielmehr sind sie eine Anregung eines Systems aus vielen Teilchen. Sie verhalten sich wie ein Teilchen, indem auch sie eine Energie-Impuls-Beziehung (Dispersionsrelation) besitzen. Die Beziehung besagt, dass die Frequenz und die Wellenlänge sich gegenseitig beeinflussen.
Die Quasiteilchen können sich also bewegen und Impulse verteilen. Im Gegensatz zu anderen Teilchen können sie aber vernichtet werden und sind nicht an eine feste Teilchenzahl gebunden. Die Plasmonen sind somit Schwingungszustände, im Fall der Quantenreibung die der Elektronen.
Wie funktioniert Quantenreibung?
Ein Team um Nikita Kavokine von der Sorbonne Université in Paris untersuchte das Fließverhalten von Wasser in Kohlenstoffnanoröhren. Dabei beobachteten sie eine unbekannte Quantenreibung. Die Kohlenstoffmoleküle beginnen in der Resonanz der Wassermoleküle zu schwingen. Dadurch werden die Wassermoleküle gebremst. Der Grund für die Schwingungsresonanz sind die Plasmonen.
Kunststoffnanoröhren haben sehr glatte Wände, so dass es kaum eine Reibung im klassischen Sinne gibt. Dies sorgt dafür, dass andere quantenmechanische Effekte in ihrer Auswirkung stärker zu beobachten sind. So ist es bei der Quantenreibung der Fall. Dieser Effekt kommt nicht nur bei Wassermolekülen vor.
Die Forscher fanden heraus, dass die Quantenreibung stärker ist, je dicker die Wände der Kunststoffnanoröhren sind. Sie nutzten dafür ein- und mehrlagige Granitröhren. Durch mehrschichtige Wände gibt es mehr Graphitmoleküle. Diese weisen ähnliche Plasmonen auf wie die Wassermoleküle. Dadurch kommt es zu einer vermehrten Kopplung und einem Energieaustausch. So entsteht die Quantenreibung. Dass der Widerstand mit der Breite der Öffnung zunimmt, liegt an der Abnahme des klassischen Reibungswiderstands geringer. Somit treten die Kräfte der Quantenmechanik stärker in Erscheinung.
Was bewirkt Quantenreibung?
Der Effekt dieser quantenmechanischen Reibungsvorgänge sorgt dafür, dass das Wasser in breiten, mehrlagigen Nanoröhren langsamer und schwerfälliger fließt als in kleinen, einlagigen Kunststoffnanoröhren. Diese Entdeckung ist vor allem für die Nanotechnik wichtig, die in der Industrie und Medizin zunehmend Beachtung findet. Diese Technologie befasst sich mit Technik auf Atom- und Molekülebene. Am bekanntesten ist die Entwicklung von Nanobots, die voranschreitet.
Forschungserkenntnisse
Aus diesem und ähnlichen Experimenten wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen. So ist eine Voraussetzung, dass die Quantenteilchen sich bis auf wenige zehn Nanometer nähern müssen. Ein Haar ist etwa 10 000 Nanometer breit. Zudem muss sie Bewegung zueinander relativ sein. Das bedeutet: Erhöht sich die Geschwindigkeit des einen Quantenteilchens, muss sich auch die Plasmone des anderen Teilchen sich erhöhen.
Casimir-Effekt
In der Quantenphysik gibt es zwei Kräfte, die bei der Erforschung der Quantenreibung eine wichtige Rolle spielen. Eine davon ist der Casimir-Effekt, der 1948 von Hendrik Casimir beschrieben wurde. Er erklärt einen quantentheoretischen Effekt, der zeigt, dass auf zwei leitfähige Platten eine Kraft wirkt, die beide zusammendrückt. Hierbei handelt es sich um einen Vorgang im Vakuum. Andere Kräfte werden somit nicht berücksichtigt.
1956 erfolgte die erste experimentelle Umsetzung durch mehrere Physiker in der Sowjetunion und 1958 durch Marcus Sparnaay in Eindhoven in den Niederlanden. Der Casimir-Effekt ist eine stark vereinfachte Berechnung der Van-der-Waals-Kräfte.
Van-der-Waals-Kräfte
Benannt wurden diese Kräfte nach dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals. Diese Theorie ist sehr aufwendig zu berechnen, weshalb oft auf den Casimir-Effekt zurückgegriffen wird. Die Van-der-Waals-Kräfte sind relativ schwache nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen. Kovalente Verbindungen sind eine stabile, chemische Verbindungsart, die vor allem bei Nicht-Metallen vorkommt.
In der Natur ist dies bei Geckos zu beobachten, die durch unzählige feinste Härchen an den Füßen genug Kräfte erzeugen, um selbst Glas kopfüber zu erklimmen. Der Effekt ist nur bei geringen Temperaturen möglich, da die Teilchen keine zu große kinetische Energie besitzen dürfen. Das bedeutet, sie sollten sich nicht zu schnell bewegen. Geschieht dies, dann werden die Van-der-Waals-Kräfte aufgehoben und ein Stoff geht in den gasförmigen Zustand über.
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