Физики из известного университета Нью-Мексико (University of New Mexico), входящего в Королевский колледж Лондона (King’s College London), расположенный в Великобритании, а также исследователи из Испанского Института фотонных наук (Institute of Photonic Sciences), в процессе выполнения совместных научных исследований выявили проявление странных сил, которые воздействуют на наночастицы на наиболее микромасштабном уровне материального мира. Согласно результатам более тщательных исследований эти силы имеют отношение к пограничной области, находящейся на стыке нанофотоники, квантовой механики и классической физики. А за появление этих сил несет ответственность эффект Казимира. Напомним нашим читателям, что эффект Казимира заключается в возникновении сил притяжения между двумя объектами, находящимися в вакууме на небольшом расстоянии друг от друга.

Эти силы имеют не гравитационную природу, они возникают за счет колебаний электромагнитных волн, вызванных квантовыми флуктуациями в вакууме. Эти флуктуации, с точки зрения квантовой теории пространства, возникают за счет появления в вакууме и исчезновения огромного количества “виртуальных” частиц. Несмотря на очень малое время нахождения этих частиц в обычном пространстве, они успевают создать малые, тем не менее, ощутимые, силы давления на поверхность объектов.

“Поскольку мы занимаемся постоянным развитием области нанотехнологий, мы начинаем вторгаться на те уровни расстояний и размеров объектов, где подобные квантовые явления начинают доминировать над силами и явлениями из области классической физики” – рассказывает Алехандро Манхавакас (Alejandro Manjavacas), ученый-физик из университета Нью-Мексико, – “И на этом масштабе силы Казимира оказывают достаточно ощутимое воздействие на наночастицы, которые из-за этого демонстрируют весьма странное поведение”.

Представьте себе крошечную сферическую наночастицу, вращающуюся над плоской поверхностью. С точки зрения классической физики, для того, чтобы эта сфера начала двигаться относительно поверхности, необходим контакт этой частицы с поверхностью. Однако, наномир уже не подчиняется полностью законам обычной физики и за счет торможения вращения наночастицы из-за столкновений ее с “виртуальными” квантовыми частицами, она начинает двигаться относительно поверхности, не входя с ней в контакт.

“Наночастица испытывает воздействие боковых сил, словно она входит в контакт с поверхностью. Но на самом деле ее и поверхность разделяет небольшой промежуток” – рассказывает Алехандро Манхавакас, – “Это все представляет собой проявление странных квантовых сил и явлений, тем не менее, ученые и инженеры-нанотехнологи должны будут учитывать подобное в своей дальнейшей работе”.

В настоящее время данное открытие еще кажется не очень четким и не до конца обоснованным. Тем не менее, при его помощи можно объяснить некоторые из странных эффектов, наблюдаемых учеными, ведущими исследования на самом мелком масштабе физического мира. А тот факт, что направлением странных сил, воздействующих на наночастицы, можно управлять, изменяя расстояние между наночастицей и поверхностью, позволит разработать и изготовить новые наноразмерные устройства, использующие данный эффект в своих целях.

Для любознательных

Изучение новых сил, определяющих поведение наномира, — это одно из самых передовых направлений современной физики, химии и нанотехнологий. На масштабах порядка 1–100 нанометров начинают проявляться не только квантовые эффекты, но и силы, которые в макромире либо незаметны, либо подавлены. Эти силы управляют самоорганизацией наночастиц, стабильностью наноструктур, взаимодействием между молекулами и работой наноустройств.

Ниже — обзор ведущих научных центров в России и мире, которые занимаются исследованием этих фундаментальных взаимодействий.

Ведущие мировые центры

1. Институт Макса Планка (Германия)

— В подразделениях по физике сложных систем и физической химии изучаются силы Ван-дер-Ваальса, капиллярные силы и электростатические взаимодействия на наноуровне.
— Разрабатываются модели, описывающие, как эти силы влияют на самосборку наночастиц и стабильность коллоидных систем.
— Особое внимание — дисперсионным силам, которые доминируют при взаимодействии нейтральных молекул и наноструктур.

2. Калифорнийский технологический институт (Caltech), США

— Исследуются квантовые флуктуации и их влияние на силы Казимира, которые проявляются между близко расположенными наноструктурами в вакууме.
— Эти силы, хотя и очень слабые, становятся определяющими при зазорах в несколько нанометров и могут как притягивать, так и отталкивать объекты.
— Caltech активно работает над наноэлектромеханическими системами (NEMS), где учёт силы Казимира критичен для стабильности работы.

3. Университет Манчестера (Великобритания)

— Здесь, где был впервые выделен графен, изучают межслоевые взаимодействия в двумерных материалах.
— Учёные исследуют, как ван-дер-ваальсовы силы удерживают слои графена, дисульфидов молибдена и других 2D-материалов, и как это влияет на их электронные и оптические свойства.
— Разработаны методы управления этими силами с помощью внешних полей, что открывает путь к настраиваемым наноматериалам.

4. Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (LBNL), США

— Ведутся фундаментальные исследования гидрофобных и гидрофильных взаимодействий на наноуровне, особенно в водных средах.
— Эти силы играют ключевую роль в самоорганизации биомолекул, работе мембранных белков и доставке лекарств с помощью наночастиц.
— Используются атомно-силовые микроскопы (AFM) для прямого измерения сил между наноструктурами.

5. Эйндховенский технологический университет (Нидерланды)

— Специализируется на силе Касимира–Польдера — квантовой силе, действующей между атомом и поверхностью.
— Эксперименты показали, что эта сила может быть отталкивающей при определённых условиях, что открывает путь к “антиприлипанию” в наномеханике.
— Исследования ведутся в рамках проектов по квантовым сенсорам и нанороботам.

Ведущие российские центры

1. Саратовский национальный исследовательский государственный университет (СГУ), кафедра аналитической химии и химической экологии

— Под руководством профессора Сергея Николаевича Штыкова изучаются жидкие нанообъекты, такие как мицеллы и микроэмульсии.
— Эти системы не проявляют квантовых эффектов, но демонстрируют уникальные силы самосборки, обусловленные гидрофобным эффектом и межфазным натяжением.
— Исследования направлены на понимание, как такие силы локально изменяют свойства растворителя и влияют на ферментативные реакции и тераностические системы (диагностика + терапия).
— Учёные подчёркивают, что самоорганизация в этих системах — результат сложного баланса слабых, но направленных взаимодействий.

2. Московский государственный университет (МГУ), физический и химический факультеты

— Ведутся теоретические и экспериментальные работы по силам Казимира и дисперсионным взаимодействиям в наноструктурах.
— Разрабатываются модели квантовых флуктуаций в вакууме и их влияния на стабильность наноразмерных устройств.
— Также исследуются электродинамические силы в системах с метаматериалами, где можно управлять силами на расстоянии.

3. Институт общей физики РАН (ИОФ РАН), Москва

— Занимается квантовыми эффектами в макроскопических системах, включая силы притяжения и отталкивания на наноуровне.
— Проводятся эксперименты по измерению силы Казимира между различными материалами, в том числе с магнитными и диэлектрическими свойствами.
— Цель — понять, можно ли использовать эти силы для бесконтактной левитации наночастиц и управления их движением.

4. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

— В рамках программ по наноинженерии и квантовым технологиям изучаются взаимодействия в гетероструктурах, где доминируют межслоевые силы и поверхностные эффекты.
— Разрабатываются компьютерные модели для расчёта энергии взаимодействия между наночастицами в различных средах.
— Особое внимание — самоорганизации наночастиц под действием внешних полей (электрических, магнитных, оптических).

5. Томский политехнический университет (ТПУ)

— Исследуются фотоиндуцированные силы — силы, возникающие при облучении наноструктур светом.
— Например, в трисульфиде мышьяка (As₂S₃) свет вызывает изменение поверхностного потенциала, что приводит к появлению фотоэлектрических сил, способных управлять движением зарядов.
— Эти эффекты перспективны для нанофотоники и оптических переключателей.

Какие силы изучаются в наномире?

На наноуровне проявляются силы, которые в обычных условиях кажутся незначительными, но в масштабах 1–100 нм становятся определяющими:

• Силы Ван-дер-Ваальса — слабые притяжения между молекулами, критичные для стабильности наноструктур.
• Силы Казимира — квантовые силы, возникающие из флуктуаций вакуума между близко расположенными поверхностями.
• Гидрофобные взаимодействия — ключевые для самоорганизации в водных растворах (например, в биологических системах).
• Капиллярные силы — важны при сушке и агрегации наночастиц.
• Электростатические силы — доминируют в коллоидных системах и при работе с заряженными наночастицами.
• Фотоиндуцированные силы — возникают при взаимодействии света с материалами, меняя их электрические свойства.
• Силы обменного взаимодействия — в магнитных наносистемах управляют ориентацией спинов.

Почему это важно?

Понимание этих сил позволяет:

• Создавать самособирающиеся наноматериалы без дорогостоящих технологий.
• Разрабатывать нанороботов, способных двигаться и взаимодействовать в организме.
• Управлять стабильностью лекарственных нанокапсул.
• Проектировать квантовые устройства, где малейшее притяжение или отталкивание может нарушить работу.

Где следить за новостями?

• Российские журналы: Наноструктуры. Математическая физика и моделирование, Письма в ЖЭТФ
• Международные: Nature Nanotechnology, Nano Letters, ACS Nano
• Конференции: Международный форум по нанотехнологиям (Россия), MRS Spring Meeting (США), Graphene Week (Европа)