Lys fordamper vand uden at opvarme det – Physics World

Lys fordamper vand uden at opvarme det – Physics World

Tidsstempel: 5. januar 2024 kl. 7

Kunstnerens illustration af et vandmolekyle
Fotomolekylær effekt: Ved grænsefladen mellem vand og luft kan lys under visse forhold fremkalde fordampning uden behov for varme, ifølge en ny undersøgelse foretaget af forskere ved MIT. (Med høflighed: Shutterstock/Valenty)

Under visse forhold kan lys få vand til at fordampe direkte uden at opvarme det først. Processen fungerer ved at spalte vandklynger fra vand-luft-grænsefladen, og forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA har døbt det den "fotomolekylære effekt" i analogi med den velkendte fotoelektriske effekt.

"Den konventionelle visdom er, at fordampning kræver varme, men vores arbejde viser, at der findes en anden fordampningsmekanisme," forklarer MIT nanoteknolog og maskiningeniør Gang Chen, der ledede forskningen. Chen tilføjer, at den nye effekt kan være mere effektiv end varme og kan derfor være nyttig i solafsaltningssystemer og andre teknologier, der bruger lys til at fordampe vand.

En uventet drejning

Chen og kolleger har studeret fordampning på grund af vekselvirkninger mellem sollys og materialeoverflader siden 2014. Fordi vand ikke i sig selv absorberer meget synligt lys, involverede deres tidlige studier at sprede et sort, porøst, lysabsorberende materiale i deres beholder med vand for at hjælpe med at omdanne sollys til varme.

"Vi havde antaget, at det var en termisk fordampningsproces: Sollys absorberes og omdannes til varme, som efterfølgende fordamper vand," siger Chen.

Tingene tog dog en uventet drejning i 2018, da et særskilt team af forskere ledet af Guihua Yu ved University of Texas i Austin, USA, gentog dette eksperiment med en sort hydrogel (et materiale, der holder vand). De fandt ud af, at materialets termiske fordampningshastighed var dobbelt så hurtig, som den burde have været, givet den samlede mængde varmeenergi, prøven modtog, og forudsat at den etablerede mekanisme var den eneste, der virkede.

I 2019 spurgte Chen en ny postdoktor i sin gruppe, Yaodong Tu, for at gentage Yus eksperimenter. Først kæmpede MIT-forskerne med at lave arbejdsprøver. Til sidst, med hjælp fra medlemmer af Yus gruppe, lykkedes det dem at bekræfte UT Austin-holdets resultater. De var dog ikke overbeviste af holdets foreslåede forklaring, som var, at vand i den sorte hydrogel kunne have en meget lavere latent varme end almindeligt vand.

"Jeg havde mistanke om, at der var fotoneffekter på spil, så vi brugte lysdioder (LED'er) til at studere, hvordan bølgelængden af ​​lys, der blev brugt til at belyse prøverne, påvirkede den hastighed, hvormed vand fordampede," siger Chen. "Vi observerede faktisk en bølgelængdeafhængighed og mærkelige temperaturfordelinger i luft, der indebærer nogle fotoneffekter, men vi kunne ikke komme med et rimeligt fysisk billede til at forklare disse resultater."

En nyttig analogi

MIT-forskerne brugte halvandet år på at studere muligheden for latent varmereduktion, men deres eksperimenter gav negative resultater. Undervejs erfarede de dog, at et par andre forskergrupper også rapporterede om supertermisk fordampning med forskellige materialer, inklusive uorganiske.

"Medio 2021 indså jeg, at det eneste fælles for alle disse eksperimenter var det øgede overfladeareal mellem vand- og luftgrænsefladen," fortæller Chen Fysik verden. "Jeg spurgte derfor mig selv, om en overfladeeffekt var ansvarlig, og det var her, den fotoelektriske analogi kom ind."

Som Albert Einstein forklarede i 1905, opstår den fotoelektriske effekt, når lys, der skinner på et materiale, indeholder nok (kvantiseret) energi til at udstøde en elektron fra materialet. Ved analogi, og ved at trække på sin forståelse af Maxwells ligninger og vandmolekylernes polære natur, rationaliserede Chen, at drivkraften bag hans holds observationer kunne involvere en quadrupol kraft, der virker på en permanent dipol ved luft-vand-grænsefladen.

Selvom Chens teori stadig var på "håndvifte"-stadiet, guidede den ikke desto mindre MIT-forskerne i at redesigne deres eksperimenter. Succesen kom, da de var i stand til at vise, at mens hverken rent vand eller hydrogelerne, de undersøgte, absorberer synligt lys, gør delvist våde hydrogeler det.

2019-eksperimenterne forklaret

"Efterfølgende eksperimenter med fordampning fra en ren PVA-hydrogel, en hydrogel med sorte absorbere og en ren hydrogel coatet på sort carbonpapir blev alle tjekket ud," siger Chen. "Med ideen om, at synligt lys kan spalte vandmolekylære klynger af, var vi også i stand til at forklare 2019-eksperimenterne."

I fotomolekylære processer spalter en foton en vandmolekylær klynge fra vand-luft-grænsefladen. Sammenlignet med termisk fordampning, som fordamper vandmolekyler én for én, og derfor har brug for energi for at bryde bindingerne mellem vandmolekyler, er fotomolekylær fordampning således mere effektiv til at fordampe end varme alene.

Chen tror på denne nye mekanisme, som han og hans kolleger beskriver i PNAS, kunne være på spil i vores daglige liv. "Det kan for eksempel være vigtigt for at forstå Jordens vandkredsløb, global opvarmning og plantevækst," siger han. "Opdagelsen kan også føre til nye tekniske anvendelser: Vi er begyndt at undersøge afsaltning og spildevandsbehandling, men tørring kan være et andet område, hvor denne mekanisme kan udnyttes." Fordi tørring forbruger omkring 20 % af den energi, der bruges i industrielle sektorer – en mængde, som Chen kalder "svammende" – kan en stigning i energieffektiviteten have en betydelig indvirkning.

Ser frem til, siger forskerne, at de gerne vil styrke beviserne til fordel for deres foreslåede mekanisme og begynde at kvantificere effekten. "Vi har lavet masser af eksperimenter på enkelt vand-luft-grænseflader til dette formål og også udført skyeksperimenter for at vise, at denne mekanisme også kan eksistere i den atmosfæriske vandcyklus," afslører Chen. "Effekten kan meget vel eksistere i andre materialer bortset fra hydrogeler, og vi håber, at vores arbejde vil tiltrække opmærksomhed fra andre forskere, som vil studere det yderligere."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden