نور آب را بدون گرم کردن تبخیر می کند - دنیای فیزیک

نور آب را بدون گرم کردن تبخیر می کند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 5 ژانویه 2024، 7:00 صبح

تصویر هنرمند از یک مولکول آب
اثر فوتومولکولی: بر اساس مطالعه جدیدی که توسط محققان MIT انجام شده است، نور در سطح مشترک آب و هوا، تحت شرایط خاصی می تواند بدون نیاز به گرما، تبخیر را القا کند. (با احترام: Shutterstock/Valenty)

تحت شرایط خاصی، نور می تواند باعث تبخیر مستقیم آب شود، بدون اینکه ابتدا آن را گرم کند. این فرآیند با جدا کردن خوشه‌های آب از رابط آب و هوا کار می‌کند و محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در ایالات متحده آن را «اثر فوتومولکولی» در قیاس با اثر فوتوالکتریک معروف نامیده‌اند.

نانوتکنولوژیست و مهندس مکانیک MIT توضیح می دهد: "عقل متعارف این است که تبخیر به گرما نیاز دارد، اما کار ما نشان می دهد که مکانیسم تبخیر دیگری وجود دارد." باند چن، که تحقیق را رهبری کرد. چن اضافه می‌کند که اثر جدید ممکن است کارآمدتر از گرما باشد و بنابراین ممکن است در سیستم‌های نمک‌زدایی خورشیدی و سایر فناوری‌هایی که از نور برای تبخیر آب استفاده می‌کنند، مفید باشد.

یک چرخش غیر منتظره

چن و همکارانش از سال 2014 بر روی تبخیر ناشی از فعل و انفعالات بین نور خورشید و سطوح مواد مطالعه کرده‌اند. از آنجایی که آب به تنهایی نور مرئی زیادی را جذب نمی‌کند، مطالعات اولیه آنها شامل پراکندگی یک ماده سیاه، متخلخل و جذب‌کننده نور در ظرف خود بود. آب برای کمک به تبدیل نور خورشید به گرما.

چن می‌گوید: «ما فرض می‌کردیم که این یک فرآیند تبخیر حرارتی است: نور خورشید جذب می‌شود و به گرما تبدیل می‌شود که متعاقباً آب را تبخیر می‌کند.

با این حال، در سال 2018، زمانی که یک تیم جداگانه از محققان به رهبری آن‌ها کار کردند، همه چیز تغییر غیرمنتظره‌ای پیدا کرد Guihua Yu در دانشگاه تگزاس در آستینایالات متحده، این آزمایش را با یک هیدروژل سیاه رنگ (ماده ای که آب را نگه می دارد) تکرار کرد. آنها دریافتند که سرعت تبخیر حرارتی ماده با توجه به مقدار کل انرژی گرمایی که نمونه دریافت می‌کند و با فرض اینکه مکانیسم ایجاد شده تنها مکانیزمی است که کار می‌کند، دو برابر سریع‌تر از آن چیزی است که باید باشد.

در سال 2019، چن از یک محقق جدید پسا دکتری در گروه خود پرسید: یائودونگ تو، برای تکرار آزمایش های یو. در ابتدا، محققان MIT برای ساختن نمونه های کار مشکل داشتند. در نهایت، با کمک اعضای گروه یو، آنها موفق شدند نتایج تیم UT Austin را تایید کنند. با این حال، آنها با توضیح پیشنهادی تیم، که این بود که آب موجود در هیدروژل سیاه ممکن است گرمای نهان بسیار کمتری نسبت به آب معمولی داشته باشد، قانع نشدند.

چن می‌گوید: «من گمان می‌کردم که اثرات فوتون در حال بازی است، بنابراین از دیودهای ساطع نور (LED) استفاده کردیم تا بررسی کنیم که چگونه طول موج نور مورد استفاده برای روشن کردن نمونه‌ها بر سرعت تبخیر آب تأثیر می‌گذارد. ما در واقع یک وابستگی به طول موج و توزیع دمای عجیب را در هوا مشاهده کردیم که حاکی از برخی اثرات فوتون است، اما نتوانستیم تصویر فیزیکی معقولی برای توضیح این نتایج بدست آوریم.

یک تشبیه مفید

محققان MIT یک سال و نیم را صرف مطالعه امکان کاهش گرمای نهان کردند، اما آزمایشات آنها نتایج منفی به همراه داشت. با این حال، در طول مسیر، آنها متوجه شدند که چند گروه تحقیقاتی دیگر نیز تبخیر فوق‌گرمایی را با مواد مختلف، از جمله مواد معدنی، گزارش کرده‌اند.

چن می گوید: «در اواسط سال 2021، متوجه شدم که تنها چیزی که بین همه این آزمایش ها مشترک است، افزایش سطح بین سطح مشترک آب و هوا بود. دنیای فیزیک. "بنابراین از خودم پرسیدم که آیا یک اثر سطحی مسئول است و اینجاست که قیاس فوتوالکتریک مطرح شد."

همانطور که آلبرت انیشتین در سال 1905 توضیح داد، اثر فوتوالکتریک زمانی رخ می‌دهد که نوری که به یک ماده می‌تابد، دارای انرژی کافی (کوانتیزه) برای بیرون راندن یک الکترون از ماده باشد. چن با تشبیه، و با تکیه بر درک خود از معادلات ماکسول و ماهیت قطبی مولکول‌های آب، استدلال کرد که انگیزه پشت مشاهدات تیمش ممکن است شامل یک نیروی چهارقطبی باشد که بر روی یک دوقطبی دائمی در فصل مشترک آب و هوا عمل می‌کند.

اگرچه تئوری چن هنوز در مرحله "دست تکان دادن" بود، با این حال محققان MIT را در طراحی مجدد آزمایشات خود راهنمایی کرد. موفقیت زمانی حاصل شد که آنها توانستند نشان دهند در حالی که نه آب خالص و نه هیدروژل هایی که مورد مطالعه قرار گرفتند نور مرئی را جذب نمی کنند، هیدروژل های نیمه مرطوب این کار را انجام می دهند.

آزمایشات 2019 توضیح داد

چن می‌گوید: «آزمایش‌های بعدی بر روی تبخیر از یک هیدروژل PVA خالص، یک هیدروژل با جاذب‌های سیاه و یک هیدروژل تمیز که روی کاغذ کربن سیاه پوشیده شده بود، همگی بررسی شدند. با این ایده که نور مرئی می تواند خوشه های مولکولی آب را جدا کند، ما همچنین توانستیم آزمایش های سال 2019 را توضیح دهیم.

در فرآیندهای فوتومولکولی، یک فوتون یک خوشه مولکولی آب را از سطح مشترک آب و هوا جدا می کند. در مقایسه با تبخیر حرارتی، که مولکول های آب را یک به یک تبخیر می کند، و بنابراین برای شکستن پیوند بین مولکول های آب به انرژی نیاز دارد، بنابراین تبخیر فوتومولکولی در تبخیر کارآمدتر از گرما به تنهایی است.

چن این مکانیسم جدید را که او و همکارانش در آن توضیح می‌دهند، باور دارد PNAS، می تواند در زندگی روزمره ما نقش داشته باشد. او می گوید: «ممکن است برای مثال برای درک چرخه آب زمین، گرم شدن کره زمین و رشد گیاهان مهم باشد. این کشف همچنین می‌تواند به کاربردهای مهندسی جدید منجر شود: ما شروع به بررسی نمک‌زدایی و تصفیه فاضلاب کرده‌ایم، اما خشک کردن می‌تواند زمینه دیگری باشد که در آن می‌توان از این مکانیسم بهره‌برداری کرد.» از آنجایی که خشک کردن حدود 20 درصد از انرژی مورد استفاده در بخش های صنعتی را مصرف می کند - مقداری که چن آن را "تعجب کننده" می نامد - افزایش بهره وری انرژی می تواند تأثیر قابل توجهی داشته باشد.

با نگاه به آینده، محققان می گویند که مایلند شواهد را به نفع مکانیسم پیشنهادی خود تقویت کنند و شروع به تعیین کمیت اثر کنند. چن می‌گوید: «ما آزمایش‌های زیادی را روی رابط‌های آب و هوا انجام داده‌ایم و همچنین آزمایش‌های ابری انجام داده‌ایم تا نشان دهیم که این مکانیسم ممکن است در چرخه آب اتمسفر نیز وجود داشته باشد. این اثر ممکن است در مواد دیگر به غیر از هیدروژل ها وجود داشته باشد و ما امیدواریم که کار ما توجه سایر محققانی را که مایل به مطالعه بیشتر آن هستند، جلب کند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک