Valgus aurustab vett ilma seda soojendamata – füüsikamaailm

Teatud tingimustel võib valgus põhjustada vee otsest aurustumist, ilma seda eelnevalt kuumutamata. Protsess toimib vee-õhu liidesest veeklastrite eraldamise teel ning USA Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) teadlased on nimetanud seda "fotomolekulaarseks efektiks" analoogselt hästi tuntud fotoelektrilise efektiga.

"Tavapärane tarkus on see, et aurustamine nõuab soojust, kuid meie töö näitab, et on olemas veel üks aurustumismehhanism, " selgitab MIT nanotehnoloog ja mehaanikainsener. Gang Chen, kes juhtis uurimistööd. Chen lisab, et uus efekt võib olla tõhusam kui soojus ja seetõttu võib see olla kasulik päikeseenergia magestamissüsteemides ja muudes tehnoloogiates, mis kasutavad vee aurustamiseks valgust.

Ootamatu pööre

Chen ja tema kolleegid on alates 2014. aastast uurinud päikesevalguse ja materjali pindade vastastikmõjust tingitud aurustumist. Kuna vesi üksi ei neela palju nähtavat valgust, hõlmasid nende varased uuringud musta, poorse valgust neelava materjali hajutamist oma mahutis. vesi, et aidata päikesevalgust soojuseks muundada.

"Me eeldasime, et see oli termiline aurustumisprotsess: päikesevalgus neeldub ja muundatakse soojuseks, mis seejärel aurustab vett, " ütleb Chen.

Asi võttis aga ootamatu pöörde 2018. aastal, kui eraldi teadlaste meeskond eesotsas Guihua Yu kell Texas ülikool Austinis, USA, kordas seda katset musta hüdrogeeliga (materjal, mis hoiab vett). Nad leidsid, et materjali termiline aurustumiskiirus oli kaks korda kiirem, kui see peaks olema, arvestades proovi saadud soojusenergia koguhulka ja eeldades, et loodud mehhanism oli ainus, mis töötab.

2019. aastal küsis Chen oma rühma uuelt järeldoktorantuurilt: Yaodong Tu, et korrata Yu katseid. Alguses nägid MIT-i teadlased vaeva tööproovide tegemisega. Lõpuks õnnestus neil Yu rühma liikmete abiga TÜ Austini meeskonna tulemused kinnitada. Neid aga ei veennud töörühma pakutud seletus, mille kohaselt võib mustas hüdrogeelis oleval veel olla palju väiksem varjatud kuumus kui tavalisel veel.

"Kahtlustasin, et mängus on footoniefekte, mistõttu kasutasime valgusdioode (LED), et uurida, kuidas proovide valgustamiseks kasutatud valguse lainepikkus mõjutas vee aurustumiskiirust," räägib Chen. "Me tõepoolest täheldasime sõltuvust lainepikkusest ja kummalisi temperatuurijaotusi õhus, mis viitavad mõnele footoni efektile, kuid me ei suutnud nende tulemuste selgitamiseks mõistlikku füüsilist pilti leida."

Abistav analoogia

MIT-i teadlased uurisid poolteist aastat latentse soojuse vähendamise võimalust, kuid nende katsed andsid negatiivseid tulemusi. Siiski said nad teada, et ka mõned teised uurimisrühmad teatasid supertermilisest aurustumisest erinevate materjalidega, sealhulgas anorgaanilistega.

"2021. aasta keskel mõistsin, et kõigi nende katsete ainus ühine joon oli vee ja õhu liidese vahelise pindala suurenemine, " räägib Chen. Füüsika maailm. "Seetõttu küsisin endalt, kas pinnaefekt on vastutav, ja siin tuli fotoelektriline analoogia."

Nagu Albert Einstein 1905. aastal selgitas, tekib fotoelektriline efekt siis, kui materjalile paistev valgus sisaldab piisavalt (kvanteeritud) energiat, et elektroni materjalist välja visata. Analoogia põhjal ja tuginedes oma arusaamale Maxwelli võrranditest ja veemolekulide polaarsest olemusest, põhjendas Chen, et tema meeskonna vaatluste tõuge võib hõlmata kvadrupooljõudu, mis mõjub õhu-vee liideses püsivale dipoolile.

Kuigi Cheni teooria oli veel "käega vehkimise" staadiumis, juhtis see MIT-i teadlasi oma katsete ümberkujundamisel. Edu saavutas, kui nad suutsid näidata, et kuigi ei puhas vesi ega uuritud hüdrogeelid ei neela nähtavat valgust, siis osaliselt niisutatud hüdrogeelid seda teevad.

2019. aasta katsed selgitasid

"Järgmised katsed aurustamise kohta puhtast PVA-hüdrogeelist, mustade neelduritega hüdrogeelist ja puhtast hüdrogeelist, mis on kaetud mustale süsinikpaberile, kontrolliti kõiki," ütleb Chen. "Mõttega, et nähtav valgus võib eraldada vee molekulaarklastreid, suutsime selgitada ka 2019. aasta katseid."

Fotomolekulaarsetes protsessides lõikab footon vee-õhu liidesest lahti veemolekulaarse klastri. Võrreldes termilise aurustamisega, mis aurustab veemolekule ükshaaval ja vajab seetõttu veemolekulide vaheliste sidemete katkestamiseks energiat, on fotomolekulaarne aurustamine seega aurustamisel tõhusam kui ainult soojus.

Piisakesed põrkuvad üksteiselt uue kolmekordse Leidenfrosti efektiga

Chen usub seda uut mehhanismi, mida tema ja ta kolleegid kirjeldavad PNAS, võiks meie igapäevaelus mängida. "See võib olla oluline näiteks Maa veeringluse, globaalse soojenemise ja taimede kasvu mõistmiseks," ütleb ta. "Avastus võib kaasa tuua ka uusi insenerirakendusi: oleme hakanud uurima magestamise ja reovee puhastamist, kuid kuivatamine võib olla veel üks valdkond, kus seda mehhanismi saaks kasutada." Kuna kuivatamine tarbib umbes 20% tööstussektorites kasutatavast energiast – seda summat nimetab Chen “jahmatavaks”, võib energiatõhususe suurenemine avaldada märkimisväärset mõju.

Tulevikku vaadates väidavad teadlased, et nad soovivad oma kavandatud mehhanismi kasuks tõendeid tugevdada ja hakata mõju kvantifitseerima. "Oleme sel eesmärgil teinud palju katseid üksikute vee-õhu liidestega ja teinud ka pilvekatseid, et näidata, et see mehhanism võib eksisteerida ka atmosfääri veeringluses, " paljastab Chen. "Mõju võib peale hüdrogeelide esineda ka muudes materjalides ja loodame, et meie töö tõmbab teiste teadlaste tähelepanu, kes soovivad seda edasi uurida."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/