Το φως εξατμίζει το νερό χωρίς να το θερμαίνει - Physics World

Κάτω από ορισμένες συνθήκες, το φως μπορεί να προκαλέσει την άμεση εξάτμιση του νερού, χωρίς να το θερμάνει πρώτα. Η διαδικασία λειτουργεί με την αποκοπή συστάδων νερού από τη διεπαφή νερού-αέρα και οι ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) στις ΗΠΑ την έχουν ονομάσει «φωτομοριακό φαινόμενο» σε αναλογία με το γνωστό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

«Η συμβατική σοφία είναι ότι η εξάτμιση απαιτεί θερμότητα, αλλά η δουλειά μας δείχνει ότι υπάρχει ένας άλλος μηχανισμός εξάτμισης», εξηγεί ο νανοτεχνολόγος και μηχανολόγος του MIT. Γκανγκ Τσεν, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας. Ο Chen προσθέτει ότι το νέο φαινόμενο μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικό από τη θερμότητα και επομένως μπορεί να είναι χρήσιμο σε συστήματα ηλιακής αφαλάτωσης και σε άλλες τεχνολογίες που χρησιμοποιούν φως για την εξάτμιση του νερού.

Απροσδόκητη στροφή

Ο Chen και οι συνεργάτες του μελετούν την εξάτμιση λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του ηλιακού φωτός και των επιφανειών υλικών από το 2014. Επειδή το νερό από μόνο του δεν απορροφά πολύ ορατό φως, οι πρώτες μελέτες τους περιελάμβαναν τη διασπορά ενός μαύρου, πορώδους υλικού που απορροφά το φως στο δοχείο τους. νερό για να βοηθήσει τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε θερμότητα.

«Είχαμε υποθέσει ότι ήταν μια διαδικασία θερμικής εξάτμισης: το ηλιακό φως απορροφάται και μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία στη συνέχεια εξατμίζει το νερό», λέει ο Chen.

Ωστόσο, τα πράγματα πήραν μια απροσδόκητη τροπή το 2018 όταν μια ξεχωριστή ομάδα ερευνητών με επικεφαλής Guihua Yu κατά τη Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, ΗΠΑ, επανέλαβε αυτό το πείραμα με μια μαύρη υδρογέλη (ένα υλικό που συγκρατεί νερό). Διαπίστωσαν ότι ο ρυθμός θερμικής εξάτμισης του υλικού ήταν διπλάσιος από όσο θα έπρεπε, δεδομένης της συνολικής ποσότητας θερμικής ενέργειας που έλαβε το δείγμα και υποθέτοντας ότι ο καθιερωμένος μηχανισμός ήταν ο μόνος που λειτουργούσε.

Το 2019, ο Chen ρώτησε έναν νέο μεταδιδακτορικό ερευνητή στην ομάδα του, Yaodong Tu, για να επαναλάβουμε τα πειράματα του Yu. Στην αρχή, οι ερευνητές του MIT αγωνίστηκαν να φτιάξουν δείγματα εργασίας. Τελικά, με τη βοήθεια των μελών της ομάδας του Yu, κατάφεραν να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματα της ομάδας του UT Austin. Ωστόσο, δεν πείστηκαν από την προτεινόμενη εξήγηση της ομάδας, η οποία ήταν ότι το νερό στη μαύρη υδρογέλη μπορεί να έχει πολύ χαμηλότερη λανθάνουσα θερμότητα από το συνηθισμένο νερό.

«Υποψιαζόμουν ότι υπήρχαν φαινόμενα φωτονίων στο παιχνίδι, γι' αυτό χρησιμοποιήσαμε διόδους εκπομπής φωτός (LED) για να μελετήσουμε πώς το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιήθηκε για να φωτίσει τα δείγματα επηρέαζε τον ρυθμό με τον οποίο εξατμιζόταν το νερό», λέει ο Chen. «Πράγματι παρατηρήσαμε μια εξάρτηση από το μήκος κύματος και παράξενες κατανομές θερμοκρασίας στον αέρα που συνεπάγονται κάποια φαινόμενα φωτονίων, αλλά δεν μπορέσαμε να βρούμε μια λογική φυσική εικόνα για να εξηγήσουμε αυτά τα αποτελέσματα».

Μια βοηθητική αναλογία

Οι ερευνητές του MIT πέρασαν ενάμιση χρόνο μελετώντας τη δυνατότητα μείωσης της λανθάνουσας θερμότητας, αλλά τα πειράματά τους απέδωσαν αρνητικά αποτελέσματα. Στην πορεία, όμως, έμαθαν ότι μερικές άλλες ερευνητικές ομάδες ανέφεραν επίσης υπερθερμική εξάτμιση με διαφορετικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των ανόργανων.

«Στα μέσα του 2021, συνειδητοποίησα ότι το μόνο κοινό πράγμα μεταξύ όλων αυτών των πειραμάτων ήταν η αυξημένη επιφάνεια μεταξύ της διεπαφής νερού και αέρα», λέει ο Τσεν. Κόσμος Φυσικής. «Γι’ αυτό αναρωτήθηκα αν ευθύνεται ένα επιφανειακό φαινόμενο και εδώ ήρθε η φωτοηλεκτρική αναλογία».

Όπως εξήγησε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει όταν το φως που λάμπει σε ένα υλικό περιέχει αρκετή (κβαντισμένη) ενέργεια για να εκτοξεύσει ένα ηλεκτρόνιο από το υλικό. Κατ' αναλογία, και βασιζόμενος στην κατανόησή του για τις εξισώσεις του Maxwell και την πολική φύση των μορίων του νερού, ο Chen εξήγησε ότι η ώθηση πίσω από τις παρατηρήσεις της ομάδας του μπορεί να περιλαμβάνει μια τετραπολική δύναμη που ενεργεί σε ένα μόνιμο δίπολο στη διεπιφάνεια αέρα-νερού.

Παρόλο που η θεωρία του Chen βρισκόταν ακόμη στο στάδιο του «handwaving», εντούτοις καθοδήγησε τους ερευνητές του MIT στον επανασχεδιασμό των πειραμάτων τους. Η επιτυχία ήρθε όταν μπόρεσαν να δείξουν ότι ενώ ούτε το καθαρό νερό ούτε οι υδρογέλες που μελέτησαν απορροφούν το ορατό φως, οι μερικώς βρεγμένες υδρογέλες απορροφούν.

Τα πειράματα του 2019 εξηγούνται

«Τα επόμενα πειράματα για την εξάτμιση από μια καθαρή υδρογέλη PVA, μια υδρογέλη με μαύρους απορροφητές και μια καθαρή υδρογέλη επικαλυμμένη σε μαύρο χαρτί άνθρακα, ελέγχθηκαν όλα», λέει ο Chen. «Με την ιδέα ότι το ορατό φως μπορεί να αποκόψει τα μοριακά σμήνη του νερού, μπορέσαμε επίσης να εξηγήσουμε τα πειράματα του 2019».

Στις φωτομοριακές διεργασίες, ένα φωτόνιο αποκόπτει ένα μοριακό σύμπλεγμα νερού από τη διεπαφή νερού-αέρα. Σε σύγκριση με τη θερμική εξάτμιση, η οποία εξατμίζει τα μόρια του νερού ένα προς ένα, και επομένως χρειάζεται ενέργεια για να σπάσει τους δεσμούς μεταξύ των μορίων του νερού, η φωτομοριακή εξάτμιση είναι επομένως πιο αποτελεσματική στην εξάτμιση από τη θερμότητα μόνο.

Τα σταγονίδια αναπηδούν το ένα από το άλλο με νέο τριπλό φαινόμενο Leidenfrost

Ο Τσεν πιστεύει αυτόν τον νέο μηχανισμό, τον οποίο περιγράφουν ο ίδιος και οι συνάδελφοί του PNAS, θα μπορούσε να παίζει στην καθημερινότητά μας. «Μπορεί να είναι σημαντικό, για παράδειγμα, για την κατανόηση του κύκλου του νερού της Γης, της υπερθέρμανσης του πλανήτη και της ανάπτυξης των φυτών», λέει. «Η ανακάλυψη θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε νέες εφαρμογές μηχανικής: έχουμε αρχίσει να εξετάζουμε την αφαλάτωση και την επεξεργασία λυμάτων, αλλά η ξήρανση θα μπορούσε να είναι ένας άλλος τομέας στον οποίο θα μπορούσε να αξιοποιηθεί αυτός ο μηχανισμός». Επειδή η ξήρανση καταναλώνει περίπου το 20% της ενέργειας που χρησιμοποιείται σε βιομηχανικούς τομείς – ποσό που ο Τσεν αποκαλεί «κλιμακωτό» – μια αύξηση στην ενεργειακή απόδοση θα μπορούσε να έχει σημαντικό αντίκτυπο.

Κοιτάζοντας το μέλλον, οι ερευνητές λένε ότι θα ήθελαν να ενισχύσουν τα στοιχεία υπέρ του προτεινόμενου μηχανισμού τους και να αρχίσουν να ποσοτικοποιούν το αποτέλεσμα. «Έχουμε κάνει πολλά πειράματα σε μεμονωμένες διεπαφές νερού-αέρα για αυτό το σκοπό και επίσης πραγματοποιούμε πειράματα σύννεφων για να δείξουμε ότι αυτός ο μηχανισμός μπορεί επίσης να υπάρχει στον κύκλο του ατμοσφαιρικού νερού», αποκαλύπτει ο Chen. «Το αποτέλεσμα μπορεί κάλλιστα να υπάρχει και σε άλλα υλικά εκτός από τις υδρογέλες και ελπίζουμε ότι η εργασία μας θα προσελκύσει την προσοχή άλλων ερευνητών που θα θελήσουν να το μελετήσουν περαιτέρω».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/