La luz evapora el agua sin calentarla – Mundo Física

En determinadas condiciones, la luz puede hacer que el agua se evapore directamente, sin calentarla primero. El proceso consiste en escindir acumulaciones de agua de la interfaz agua-aire y los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) de EE. UU. lo han denominado “efecto fotomolecular”, en analogía con el conocido efecto fotoeléctrico.

"La opinión generalizada es que la evaporación requiere calor, pero nuestro trabajo muestra que existe otro mecanismo de evaporación", explica el nanotecnólogo e ingeniero mecánico del MIT. cuadrilla chen, quien dirigió la investigación. Chen añade que el nuevo efecto puede ser más eficiente que el calor y, por tanto, podría resultar útil en sistemas de desalinización solar y otras tecnologías que utilizan la luz para evaporar el agua.

Un giro inesperado

Chen y sus colegas han estado estudiando la evaporación debido a las interacciones entre la luz solar y las superficies de los materiales desde 2014. Debido a que el agua, por sí sola, no absorbe mucha luz visible, sus primeros estudios implicaron dispersar un material negro, poroso y absorbente de luz en su contenedor de agua para ayudar a la conversión de la luz solar en calor.

"Habíamos asumido que se trataba de un proceso de evaporación térmica: la luz solar se absorbe y se convierte en calor, que posteriormente evapora el agua", dice Chen.

Sin embargo, las cosas dieron un giro inesperado en 2018 cuando un equipo separado de investigadores dirigido por guihua yu en el Universidad de Texas en Austin, EE. UU., repitió este experimento con un hidrogel negro (un material que retiene agua). Descubrieron que la tasa de evaporación térmica del material era dos veces más rápida de lo que debería haber sido, dada la cantidad total de energía térmica que recibió la muestra y asumiendo que el mecanismo establecido era el único en funcionamiento.

En 2019, Chen le preguntó a un nuevo investigador postdoctoral de su grupo: Yao Dong Tu, para repetir los experimentos de Yu. Al principio, los investigadores del MIT tuvieron dificultades para crear muestras funcionales. Finalmente, con la ayuda de los miembros del grupo de Yu, lograron confirmar los resultados del equipo de UT Austin. Sin embargo, no quedaron convencidos por la explicación sugerida por el equipo, que era que el agua en el hidrogel negro podría tener un calor latente mucho menor que el agua ordinaria.

"Sospeché que había efectos de fotones en juego, por lo que empleamos diodos emisores de luz (LED) para estudiar cómo la longitud de onda de la luz utilizada para iluminar las muestras afectaba la velocidad a la que se evaporaba el agua", dice Chen. "De hecho, observamos una dependencia de la longitud de onda y distribuciones extrañas de temperatura en el aire que implican algunos efectos de los fotones, pero no pudimos encontrar una imagen física razonable para explicar estos resultados".

Una analogía útil

Los investigadores del MIT pasaron un año y medio estudiando la posibilidad de reducción del calor latente, pero sus experimentos arrojaron resultados negativos. Sin embargo, en el camino se enteraron de que algunos otros grupos de investigación también estaban informando sobre evaporación supertérmica con diferentes materiales, incluidos los inorgánicos.

“A mediados de 2021, me di cuenta de que lo único en común entre todos estos experimentos era el aumento de la superficie entre la interfaz del agua y el aire”, dice Chen. Mundo de la física. "Por lo tanto, me pregunté si el responsable era un efecto de superficie y aquí es donde entró en juego la analogía fotoeléctrica".

Como explicó Albert Einstein en 1905, el efecto fotoeléctrico se produce cuando la luz que incide sobre un material contiene suficiente energía (cuantizada) para expulsar un electrón del material. Por analogía, y basándose en su comprensión de las ecuaciones de Maxwell y la naturaleza polar de las moléculas de agua, Chen racionalizó que el impulso detrás de las observaciones de su equipo podría implicar una fuerza cuadripolar que actúa sobre un dipolo permanente en la interfaz aire-agua.

Aunque la teoría de Chen todavía estaba en la etapa de "agitación manual", guió a los investigadores del MIT en el rediseño de sus experimentos. El éxito llegó cuando pudieron demostrar que, si bien ni el agua pura ni los hidrogeles que estudiaron absorben la luz visible, los hidrogeles parcialmente humedecidos sí lo hacen.

Los experimentos de 2019 explicados.

"Se comprobaron los experimentos posteriores sobre la evaporación de un hidrogel de PVA puro, un hidrogel con absorbentes negros y un hidrogel limpio recubierto sobre papel carbón negro", dice Chen. "Con la idea de que la luz visible puede separar grupos moleculares de agua, también pudimos explicar los experimentos de 2019".

En los procesos fotomoleculares, un fotón separa un grupo molecular de agua de la interfaz agua-aire. En comparación con la evaporación térmica, que evapora las moléculas de agua una por una y, por lo tanto, necesita energía para romper los enlaces entre las moléculas de agua, la evaporación fotomolecular es más eficiente para evaporar que el calor solo.

Las gotas rebotan entre sí en un nuevo triple efecto Leidenfrost

Chen cree que este nuevo mecanismo, que él y sus colegas describen en PNAS, podría estar en juego en nuestra vida diaria. "Podría ser importante, por ejemplo, para comprender el ciclo del agua en la Tierra, el calentamiento global y el crecimiento de las plantas", afirma. "El descubrimiento también podría dar lugar a nuevas aplicaciones de ingeniería: hemos empezado a estudiar la desalinización y el tratamiento de aguas residuales, pero el secado podría ser otra área en la que se podría explotar este mecanismo". Dado que el secado consume alrededor del 20% de la energía utilizada en los sectores industriales –una cantidad que Chen califica de “asombrosa”–, un aumento en la eficiencia energética podría tener un impacto significativo.

De cara al futuro, los investigadores dicen que les gustaría reforzar la evidencia a favor del mecanismo propuesto y comenzar a cuantificar el efecto. "Hemos estado haciendo muchos experimentos en interfaces agua-aire individuales con este fin y también realizando experimentos con nubes para demostrar que este mecanismo también podría existir en el ciclo atmosférico del agua", revela Chen. "El efecto bien podría existir en otros materiales además de los hidrogeles y esperamos que nuestro trabajo atraiga la atención de otros investigadores que quieran estudiarlo más a fondo".

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/