A fény melegítés nélkül párologtatja el a vizet – Fizika világa

A fény melegítés nélkül párologtatja el a vizet – Fizika világa

Időbélyeg: 5. január 2024. 7:00

Művész illusztrációja egy vízmolekuláról
Fotomolekuláris hatás: Az MIT kutatóinak új tanulmánya szerint a víz-levegő határfelületen a fény bizonyos körülmények között párolgást idézhet elő anélkül, hogy hőre lenne szükség. (Jóvolt: Shutterstock/Valenty)

Bizonyos körülmények között a fény közvetlenül elpárologtathatja a vizet anélkül, hogy először felmelegítené. A folyamat úgy működik, hogy a víz-levegő határfelületről vízhalmazokat hasít le, és az amerikai Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatói a jól ismert fotoelektromos effektus analógiájára „fotomolekuláris hatásnak” nevezték el.

„A hagyományos bölcsesség szerint a párolgás hőt igényel, de munkánk azt mutatja, hogy létezik egy másik párolgási mechanizmus is” – magyarázza az MIT nanotechnológusa és gépészmérnöke. Gang Chen, aki a kutatást vezette. Chen hozzáteszi, hogy az új hatás hatékonyabb lehet, mint a hő, ezért hasznos lehet a szoláris sótalanító rendszerekben és más olyan technológiákban, amelyek fényt használnak a víz elpárologtatására.

Váratlan fordulat

Chen és munkatársai 2014 óta tanulmányozzák a napfény és az anyagfelületek közötti kölcsönhatások miatti párolgást. Mivel a víz önmagában nem nyel el sok látható fényt, korai tanulmányaik során egy fekete, porózus, fényelnyelő anyagot szórtak szét a tartályukban. vizet, hogy segítse a napfény hővé alakítását.

„Azt feltételeztük, hogy ez egy termikus párolgási folyamat: a napfény elnyelődik, és hővé alakul, ami ezt követően elpárologtatja a vizet” – mondja Chen.

A dolgok azonban váratlan fordulatot vettek 2018-ban, amikor egy külön kutatócsoport vezetett Guihua Yu a Texasi Egyetem, Austin, USA, megismételte ezt a kísérletet egy fekete hidrogéllel (olyan anyag, amely megtartja a vizet). Megállapították, hogy az anyag hőpárolgási sebessége kétszer olyan gyors, mint kellett volna, tekintettel a minta teljes hőenergiájára, és feltételezve, hogy a kialakult mechanizmus az egyetlen, amely működik.

2019-ben Chen megkérdezte egy új posztdoktori kutatóját a csoportjában: Yaodong Tu, hogy megismételje Yu kísérleteit. Eleinte az MIT kutatói küzdöttek, hogy működő mintákat készítsenek. Végül Yu csoportjának tagjai segítségével sikerült megerősíteniük az UT Austin csapatának eredményeit. Azonban nem győzte meg őket a csapat által javasolt magyarázat, amely szerint a fekete hidrogélben lévő víznek sokkal kisebb rejtett hője lehet, mint a közönséges víznek.

„Gyanítottam, hogy fotonhatások játszanak szerepet, ezért fénykibocsátó diódákat (LED-eket) alkalmaztunk annak vizsgálatára, hogy a minták megvilágításához használt fény hullámhossza hogyan befolyásolja a víz elpárolgási sebességét” – mondja Chen. "Valóban megfigyeltünk hullámhossz-függést és furcsa hőmérséklet-eloszlást a levegőben, ami bizonyos fotonhatásokra utal, de nem tudtunk ésszerű fizikai képet alkotni ezeknek az eredményeknek a magyarázatára."

Hasznos hasonlat

Az MIT kutatói másfél évet töltöttek a látens hőcsökkentés lehetőségének tanulmányozásával, kísérleteik azonban negatív eredményt hoztak. Útközben azonban megtudták, hogy néhány másik kutatócsoport is beszámolt szupertermikus párolgásról különböző anyagokkal, köztük szervetlenekkel is.

"2021 közepén rájöttem, hogy az egyetlen közös dolog ezekben a kísérletekben a víz és a levegő határfelülete közötti megnövekedett felület volt" - mondja Chen. Fizika Világa. „Ezért megkérdeztem magamtól, hogy egy felületi hatás felelős-e, és itt jött be a fotoelektromos analógia.”

Ahogy Albert Einstein 1905-ben kifejtette, a fotoelektromos hatás akkor lép fel, ha egy anyagra rávilágító fény elegendő (kvantált) energiát tartalmaz ahhoz, hogy egy elektront kilökjön az anyagból. Analógia útján, és a Maxwell-egyenletekre és a vízmolekulák poláris természetére támaszkodva Chen racionalizálta, hogy csapata megfigyelései mögött egy kvadrupólus erő hathat a levegő-víz határfelületen lévő állandó dipólusra.

Noha Chen elmélete még a „kézlendítés” szakaszában volt, mégis ez irányította az MIT kutatóit kísérleteik újratervezésében. A siker akkor következett be, amikor be tudták mutatni, hogy bár sem a tiszta víz, sem az általuk vizsgált hidrogélek nem nyeli el a látható fényt, a részben nedvesített hidrogélek igen.

A 2019-es kísérletek magyarázata

„Az ezt követő kísérletek a tiszta PVA-hidrogélből, egy fekete abszorberekkel rendelkező hidrogélből és egy fekete szénpapírra bevont tiszta hidrogélből történő párolgási kísérletek mindegyikét ellenőrizték” – mondja Chen. „Azzal az ötlettel, hogy a látható fény lehasíthatja a vízmolekuláris klasztereket, meg tudtuk magyarázni a 2019-es kísérleteket is.”

A fotomolekuláris folyamatok során a foton lehasítja a víz-levegő határfelületről a vízmolekuláris klasztert. A termikus párologtatáshoz képest, amely egyenként párologtatja el a vízmolekulákat, és ezért energiára van szüksége a vízmolekulák közötti kötések megszakításához, a fotomolekuláris párolgás így hatékonyabb a párologtatásban, mint a hő önmagában.

Chen hisz ebben az új mechanizmusban, amelyet ő és kollégái leírtak PNAS, szerepet játszhat mindennapi életünkben. „Fontos lehet például a Föld vízciklusának, a globális felmelegedésnek és a növények növekedésének megértéséhez” – mondja. "A felfedezés új mérnöki alkalmazásokhoz is vezethet: elkezdtük vizsgálni a sótalanítást és a szennyvízkezelést, de a szárítás egy másik olyan terület lehet, ahol ezt a mechanizmust ki lehetne használni." Mivel a szárítás az ipari szektorokban felhasznált energia körülbelül 20%-át fogyasztja el – Chen ezt a mennyiséget „megdöbbentőnek” nevezi –, az energiahatékonyság növelésének jelentős hatása lehet.

A jövőre nézve a kutatók azt mondják, hogy szeretnék megerősíteni a bizonyítékokat a javasolt mechanizmus mellett, és elkezdik számszerűsíteni a hatást. „Sok kísérletet végeztünk egyetlen víz-levegő határfelületen ennek érdekében, és felhőkísérleteket is végeztünk annak bizonyítására, hogy ez a mechanizmus a légköri víz körforgásában is előfordulhat” – árulta el Chen. "A hatás a hidrogélen kívül más anyagokban is fennállhat, és reméljük, hogy munkánk felkelti majd más kutatók figyelmét, akik tovább akarják tanulmányozni."

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa