В работе Light-induced quantum friction of carbon nanotubes in water, опубликованной в июне 2026 года в журнале Nature, исследователи впервые экспериментально подтвердили существование светоиндуцированного квантового трения углеродных нанотрубок в воде. Ключевым инструментом эксперимента стала конфокальная микроскопическая система компании PicoQuant MicroTime 200, объединившая технологии регистрации одиночных фотонов, временной корреляции фотонов (TCSPC) и флуоресцентной корреляционной спектроскопии (FCS). Исследование демонстрирует возможности современных методов однофотонной регистрации для анализа динамики наноматериалов.
Современные методы исследования динамики наноматериалов
Развитие нанотехнологий требует экспериментальных методов, способных регистрировать процессы на уровне отдельных молекул и наноструктур. Одной из наиболее сложных задач является исследование движения нанообъектов в жидкости, где даже незначительные изменения взаимодействия между материалом и окружающей средой существенно влияют на их динамику.
Почему были выбраны углеродные нанотрубки?
Одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT) обладают уникальными электронными и оптическими свойствами. При лазерном возбуждении в них возникают экситоны, излучательная рекомбинация которых приводит к испусканию фотонов в ближнем инфракрасном диапазоне. Благодаря этому нанотрубки одновременно являются объектом исследования и собственным источником флуоресцентного сигнала.
В ходе эксперимента было обнаружено, что увеличение мощности лазерного возбуждения приводило не к ускорению броуновского движения вследствие нагрева, а, наоборот, к уменьшению коэффициента диффузии почти на 50%. Полученные результаты стали одним из первых экспериментальных подтверждений существования квантового трения.
Метод исследования
Эксперименты выполняли методом FCS. Этот метод базируется на регистрации флуктуаций интенсивности флуоресценции в малом объёме. Математическая обработка сигнала с помощью автокорреляционной функции позволяет изучать динамику и взаимодействие молекул. Работу осуществляли на модульной конфокальной микроскопической системе MicroTime 200 от немецкого производителя PicoQuant. Она оснащена пикосекундными диодными импульсными лазерами на 485 нм (LDH-D-C-485) и 530 нм (LDH-D-TA-530). Вид лазеров представлен на рисунке 1. В состав системы также входит инвертированный конфокальный лазерный сканирующий микроскоп Olympus IX73 с 60-кратным водным объективом (Olympus, числовая апертура 1.2, UPlanSApo). Для регистрации использовались детекторы на основе лавинных фотодиодов одиночных фотонов (SPADs) производства Excelitas Technologies.
Рисунок 1 – Пикосекундные диодные лазерные головки LDH Series
Флуоресцентное излучение отделялось от возбуждающего света с помощью дихроичного зеркала и длинноволновых фильтров, после чего проходило через конфокальную диафрагму диаметром 50 мкм и регистрировалось однофотонными лавинными фотодиодами. Регистрация фотонов выполнялась с использованием технологии TCSPC, обеспечивающей высокое временное разрешение и точный анализ флуктуаций интенсивности флуоресценции.
Такая конфигурация позволила надежно измерять коэффициенты диффузии отдельных углеродных нанотрубок при концентрации порядка 1 нМ и регистрировать крайне малые изменения их движения в зависимости от условий оптического возбуждения.
Заключение
Работа демонстрирует возможности современных методов однофотонной регистрации при исследовании фундаментальных физических процессов на наноуровне. Использование системы MicroTime 200 (PicoQuant) позволило выполнить высокоточные измерения, зарегистрировать изменение коэффициента диффузии отдельных углеродных нанотрубок и получить первое экспериментальное подтверждение эффекта светоиндуцированного квантового трения. Подобные исследования открывают новые перспективы для изучения динамики наноматериалов, разработки нанофотонных устройств и высокочувствительных сенсорных технологий.
Компания INSCIENCE занимается поставкой решений для регистрации одиночных фотонов, флуоресцентной корреляционной спектроскопии (FCS), FLIM и TCSPC, а также оборудования для исследований в области наноматериалов, фотоники и биофизики. Ознакомиться с каталогом оборудования можно здесь.
Для подбора оптимальной конфигурации под Ваши задачи воспользуйтесь кнопкой запроса.