प्रकाश पानी को गर्म किये बिना ही वाष्पित कर देता है - फिजिक्स वर्ल्ड

प्रकाश पानी को गर्म किये बिना ही वाष्पित कर देता है - फिजिक्स वर्ल्ड

टाइम स्टैम्प: 5 जनवरी, 2024 सुबह 7:00 बजे

पानी के अणु का कलाकार का चित्रण
फोटोमोलेक्यूलर प्रभाव: एमआईटी के शोधकर्ताओं के एक नए अध्ययन के अनुसार, जल-वायु इंटरफेस पर, प्रकाश, कुछ शर्तों के तहत, गर्मी की आवश्यकता के बिना वाष्पीकरण को प्रेरित कर सकता है। (सौजन्य: शटरस्टॉक/वैलेंटी)

कुछ शर्तों के तहत, प्रकाश पानी को पहले गर्म किए बिना सीधे वाष्पित कर सकता है। यह प्रक्रिया जल-वायु इंटरफेस से पानी के समूहों को साफ करके काम करती है, और अमेरिका में मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) के शोधकर्ताओं ने इसे प्रसिद्ध फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के अनुरूप "फोटोमोलेक्यूलर प्रभाव" करार दिया है।

एमआईटी नैनोटेक्नोलॉजिस्ट और मैकेनिकल इंजीनियर बताते हैं, "पारंपरिक ज्ञान यह है कि वाष्पीकरण के लिए गर्मी की आवश्यकता होती है, लेकिन हमारा काम दिखाता है कि एक और वाष्पीकरण तंत्र मौजूद है।" गैंग चेन, जिन्होंने अनुसंधान का नेतृत्व किया। चेन कहते हैं कि नया प्रभाव गर्मी की तुलना में अधिक कुशल हो सकता है और इसलिए सौर अलवणीकरण प्रणालियों और अन्य प्रौद्योगिकियों में उपयोगी हो सकता है जो पानी को वाष्पित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं।

एक अप्रत्याशित मोड़

चेन और सहकर्मी 2014 से सूरज की रोशनी और भौतिक सतहों के बीच बातचीत के कारण वाष्पीकरण का अध्ययन कर रहे हैं। क्योंकि पानी, अपने आप में, अधिक दृश्य प्रकाश को अवशोषित नहीं करता है, उनके शुरुआती अध्ययनों में उनके कंटेनर में एक काले, छिद्रपूर्ण, प्रकाश-अवशोषित सामग्री को फैलाना शामिल था। सूरज की रोशनी को गर्मी में बदलने में सहायता के लिए पानी।

चेन कहते हैं, "हमने मान लिया था कि यह एक थर्मल वाष्पीकरण प्रक्रिया थी: सूरज की रोशनी अवशोषित होती है और गर्मी में परिवर्तित हो जाती है, जो बाद में पानी को वाष्पित कर देती है।"

हालाँकि, 2018 में चीजों में अप्रत्याशित मोड़ आया जब शोधकर्ताओं की एक अलग टीम का नेतृत्व किया गया गुइहुआ यू पर ऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय, अमेरिका ने इस प्रयोग को ब्लैक हाइड्रोजेल (पानी को धारण करने वाला पदार्थ) के साथ दोहराया। उन्होंने पाया कि नमूने को प्राप्त ऊष्मा ऊर्जा की कुल मात्रा को देखते हुए और यह मानते हुए कि स्थापित तंत्र ही काम कर रहा था, सामग्री की थर्मल वाष्पीकरण दर दोगुनी तेज़ थी, जितनी होनी चाहिए थी।

2019 में, चेन ने अपने समूह में एक नए पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता से पूछा, याओदोंग तु, यू के प्रयोगों को दोहराने के लिए। सबसे पहले, एमआईटी शोधकर्ताओं को कामकाजी नमूने बनाने में संघर्ष करना पड़ा। अंततः, यू के समूह के सदस्यों की मदद से, वे यूटी ऑस्टिन टीम के परिणामों की पुष्टि करने में सफल रहे। हालाँकि, वे टीम के सुझाए गए स्पष्टीकरण से आश्वस्त नहीं थे, जो यह था कि काले हाइड्रोजेल में पानी में सामान्य पानी की तुलना में बहुत कम गुप्त ऊष्मा हो सकती है।

चेन कहते हैं, "मुझे संदेह था कि इसमें फोटॉन प्रभाव चल रहे थे, इसलिए हमने यह अध्ययन करने के लिए प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) का उपयोग किया कि नमूनों को रोशन करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पानी के वाष्पीकरण की दर को कैसे प्रभावित करती है।" "हमने वास्तव में हवा में तरंग दैर्ध्य निर्भरता और अजीब तापमान वितरण देखा है जो कुछ फोटॉन प्रभावों का संकेत देता है, लेकिन हम इन परिणामों को समझाने के लिए एक उचित भौतिक चित्र के साथ नहीं आ सके।"

एक उपयोगी सादृश्य

एमआईटी शोधकर्ताओं ने गुप्त गर्मी में कमी की संभावना का अध्ययन करने में डेढ़ साल बिताया, लेकिन उनके प्रयोगों से नकारात्मक परिणाम मिले। हालाँकि, रास्ते में, उन्हें पता चला कि कुछ अन्य शोध समूह भी अकार्बनिक सहित विभिन्न सामग्रियों के साथ सुपर-थर्मल वाष्पीकरण की रिपोर्ट कर रहे थे।

चेन बताते हैं, "2021 के मध्य में, मुझे एहसास हुआ कि इन सभी प्रयोगों के बीच एकमात्र चीज जो समान थी वह थी पानी और हवा के इंटरफेस के बीच बढ़ा हुआ सतह क्षेत्र।" भौतिकी की दुनिया. "इसलिए मैंने खुद से पूछा कि क्या सतही प्रभाव जिम्मेदार था और यहीं से फोटोइलेक्ट्रिक सादृश्य आया।"

जैसा कि अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1905 में समझाया था, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव तब होता है जब किसी सामग्री पर चमकने वाले प्रकाश में सामग्री से एक इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए पर्याप्त (मात्राबद्ध) ऊर्जा होती है। सादृश्य द्वारा, और मैक्सवेल के समीकरणों और पानी के अणुओं की ध्रुवीय प्रकृति की अपनी समझ के आधार पर, चेन ने तर्क दिया कि उनकी टीम की टिप्पणियों के पीछे वायु-जल इंटरफ़ेस पर एक स्थायी द्विध्रुव पर कार्य करने वाला एक चौगुना बल शामिल हो सकता है।

हालाँकि चेन का सिद्धांत अभी भी "हैंडवेविंग" चरण में था, फिर भी इसने एमआईटी शोधकर्ताओं को अपने प्रयोगों को फिर से डिज़ाइन करने में मार्गदर्शन किया। सफलता तब मिली जब वे यह दिखाने में सक्षम हुए कि न तो शुद्ध पानी और न ही उनके द्वारा अध्ययन किए गए हाइड्रोजेल दृश्य प्रकाश को अवशोषित करते हैं, आंशिक रूप से गीले हाइड्रोजेल ऐसा करते हैं।

2019 के प्रयोगों के बारे में बताया गया

चेन कहते हैं, "शुद्ध पीवीए हाइड्रोजेल, काले अवशोषक के साथ एक हाइड्रोजेल और काले कार्बन पेपर पर लेपित एक साफ हाइड्रोजेल से वाष्पीकरण पर बाद के प्रयोगों की जांच की गई।" "इस विचार के साथ कि दृश्य प्रकाश पानी के आणविक समूहों को अलग कर सकता है, हम 2019 के प्रयोगों को समझाने में भी सक्षम थे।"

फोटोमोलेक्यूलर प्रक्रियाओं में, एक फोटॉन जल-वायु इंटरफ़ेस से जल आणविक क्लस्टर को अलग कर देता है। थर्मल वाष्पीकरण की तुलना में, जो पानी के अणुओं को एक-एक करके वाष्पित करता है, और इसलिए पानी के अणुओं के बीच के बंधन को तोड़ने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, फोटोमोलेक्यूलर वाष्पीकरण अकेले गर्मी की तुलना में वाष्पीकरण में अधिक कुशल है।

चेन इस नए तंत्र पर विश्वास करते हैं, जिसका वर्णन वह और उनके सहयोगी करते हैं PNAS, हमारे दैनिक जीवन में काम आ सकता है। "यह महत्वपूर्ण हो सकता है, उदाहरण के लिए, पृथ्वी के जल चक्र, ग्लोबल वार्मिंग और पौधों की वृद्धि को समझने के लिए," वे कहते हैं। "यह खोज नए इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों को भी जन्म दे सकती है: हमने अलवणीकरण और अपशिष्ट जल उपचार पर ध्यान देना शुरू कर दिया है, लेकिन सुखाना एक अन्य क्षेत्र हो सकता है जिसमें इस तंत्र का फायदा उठाया जा सकता है।" क्योंकि औद्योगिक क्षेत्रों में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा का लगभग 20% सुखाने में खर्च होता है - एक राशि जिसे चेन "चौंकाने वाला" कहते हैं - ऊर्जा दक्षता में वृद्धि का महत्वपूर्ण प्रभाव हो सकता है।

आगे देखते हुए, शोधकर्ताओं का कहना है कि वे अपने प्रस्तावित तंत्र के पक्ष में सबूत जुटाना चाहेंगे और प्रभाव की मात्रा निर्धारित करना शुरू करेंगे। चेन ने खुलासा किया, "हम इस उद्देश्य के लिए एकल जल-वायु इंटरफेस पर बहुत सारे प्रयोग कर रहे हैं और यह दिखाने के लिए क्लाउड प्रयोग भी कर रहे हैं कि यह तंत्र वायुमंडलीय जल चक्र में भी मौजूद हो सकता है।" "यह प्रभाव हाइड्रोजेल के अलावा अन्य सामग्रियों में भी मौजूद हो सकता है और हमें उम्मीद है कि हमारा काम अन्य शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित करेगा जो इसका आगे अध्ययन करना चाहेंगे।"

समय टिकट:

से अधिक भौतिकी की दुनिया