Cahaya menguapkan air tanpa memanaskannya – Dunia Fisika

Dalam kondisi tertentu, cahaya dapat menyebabkan air langsung menguap, tanpa memanaskannya terlebih dahulu. Proses ini bekerja dengan memecah gugusan air dari antarmuka air-udara, dan para peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT) di AS menjulukinya sebagai “efek fotomolekuler” yang analog dengan efek fotolistrik yang terkenal.

“Kebijaksanaan konvensional adalah bahwa penguapan membutuhkan panas, namun penelitian kami menunjukkan bahwa ada mekanisme penguapan lain,” jelas nanoteknologi dan insinyur mesin MIT. Geng Chen, yang memimpin penelitian. Chen menambahkan bahwa efek baru ini mungkin lebih efisien dibandingkan panas sehingga mungkin berguna dalam sistem desalinasi tenaga surya dan teknologi lain yang menggunakan cahaya untuk menguapkan air.

Perubahan yang tidak terduga

Chen dan rekannya telah mempelajari penguapan akibat interaksi antara sinar matahari dan permukaan material sejak tahun 2014. Karena air tidak menyerap banyak cahaya tampak, penelitian awal mereka melibatkan pendispersian material berwarna hitam, berpori, dan menyerap cahaya ke dalam wadahnya. air untuk membantu konversi sinar matahari menjadi panas.

“Kami berasumsi bahwa ini adalah proses penguapan termal: sinar matahari diserap dan diubah menjadi panas, yang kemudian menguapkan air,” kata Chen.

Namun, keadaan berubah secara tidak terduga pada tahun 2018 ketika tim peneliti terpisah dipimpin oleh Guihua Yu di University of Texas di Austin, AS, mengulangi percobaan ini dengan hidrogel hitam (bahan yang menahan air). Mereka menemukan bahwa laju penguapan termal material dua kali lebih cepat dari yang seharusnya, mengingat jumlah total energi panas yang diterima sampel dan dengan asumsi hanya mekanisme yang ada yang bekerja.

Pada tahun 2019, Chen bertanya kepada peneliti pascadoktoral baru di kelompoknya, Yaodong Tu, untuk mengulangi eksperimen Yu. Pada awalnya, para peneliti MIT kesulitan membuat sampel yang berfungsi. Akhirnya dengan bantuan anggota kelompok Yu, mereka berhasil mengukuhkan hasil tim UT Austin. Namun, mereka tidak yakin dengan penjelasan yang disarankan tim, yaitu bahwa air dalam hidrogel hitam mungkin memiliki panas laten yang jauh lebih rendah dibandingkan air biasa.

“Saya curiga ada efek foton yang berperan, jadi kami menggunakan dioda pemancar cahaya (LED) untuk mempelajari bagaimana panjang gelombang cahaya yang digunakan untuk menerangi sampel mempengaruhi laju penguapan air,” kata Chen. “Kami memang mengamati ketergantungan panjang gelombang dan distribusi suhu aneh di udara yang menyiratkan beberapa efek foton, namun kami tidak dapat memberikan gambaran fisik yang masuk akal untuk menjelaskan hasil ini.”

Sebuah analogi yang bermanfaat

Para peneliti MIT menghabiskan satu setengah tahun mempelajari kemungkinan pengurangan panas laten, namun eksperimen mereka membuahkan hasil negatif. Namun, dalam perjalanannya, mereka mengetahui bahwa beberapa kelompok penelitian lain juga melaporkan penguapan super-termal dengan bahan berbeda, termasuk bahan anorganik.

“Pada pertengahan tahun 2021, saya menyadari bahwa satu-satunya kesamaan dari semua eksperimen ini adalah peningkatan luas permukaan antara antarmuka air dan udara,” kata Chen. Dunia Fisika. “Oleh karena itu, saya bertanya pada diri sendiri apakah efek permukaan bertanggung jawab dan di sinilah analogi fotolistrik berperan.”

Seperti yang dijelaskan Albert Einstein pada tahun 1905, efek fotolistrik terjadi ketika cahaya yang menyinari suatu material mengandung energi yang cukup (terkuantisasi) untuk mengeluarkan elektron dari material tersebut. Dengan analogi, dan memanfaatkan pemahamannya tentang persamaan Maxwell dan sifat polar molekul air, Chen merasionalisasi bahwa dorongan di balik pengamatan timnya mungkin melibatkan gaya kuadrupol yang bekerja pada dipol permanen pada antarmuka udara-air.

Meskipun teori Chen masih dalam tahap “handwaving”, namun teori tersebut memandu para peneliti MIT dalam mendesain ulang eksperimen mereka. Keberhasilan terjadi ketika mereka mampu menunjukkan bahwa meskipun air murni maupun hidrogel yang mereka pelajari tidak menyerap cahaya tampak, hidrogel yang dibasahi sebagian dapat menyerap cahaya tampak.

Eksperimen tahun 2019 menjelaskan

“Percobaan selanjutnya mengenai penguapan dari hidrogel PVA murni, hidrogel dengan peredam hitam, dan hidrogel bersih yang dilapisi kertas karbon hitam semuanya telah dilakukan,” kata Chen. “Dengan gagasan bahwa cahaya tampak dapat membelah gugus molekul air, kami juga dapat menjelaskan eksperimen tahun 2019.”

Dalam proses fotomolekuler, foton membelah gugus molekul air dari antarmuka air-udara. Dibandingkan dengan evaporasi termal, yang menguapkan molekul air satu per satu, dan oleh karena itu memerlukan energi untuk memutus ikatan antar molekul air, evaporasi fotomolekuler lebih efisien dalam penguapan dibandingkan dengan hanya menggunakan panas.

Tetesan memantul satu sama lain dalam efek triple Leidenfrost yang baru

Chen meyakini mekanisme baru ini, yang ia dan rekan-rekannya jelaskan PNAS, bisa berperan dalam kehidupan kita sehari-hari. “Ini mungkin penting, misalnya, untuk memahami siklus air di bumi, pemanasan global, dan pertumbuhan tanaman,” katanya. “Penemuan ini juga dapat mengarah pada penerapan teknik baru: kami telah mulai mempertimbangkan desalinasi dan pengolahan air limbah, namun pengeringan dapat menjadi area lain di mana mekanisme ini dapat dieksploitasi.” Karena pengeringan menghabiskan sekitar 20% energi yang digunakan di sektor industri – jumlah yang disebut Chen “sangat mengejutkan” – peningkatan efisiensi energi dapat memberikan dampak yang signifikan.

Ke depan, para peneliti mengatakan mereka ingin memperkuat bukti yang mendukung mekanisme yang mereka usulkan dan mulai mengukur dampaknya. “Kami telah melakukan banyak eksperimen pada antarmuka air-udara untuk mencapai tujuan ini dan juga melakukan eksperimen awan untuk menunjukkan bahwa mekanisme ini mungkin juga ada dalam siklus air di atmosfer,” ungkap Chen. “Efeknya mungkin juga terdapat pada material lain selain hidrogel dan kami berharap penelitian kami akan menarik perhatian peneliti lain yang ingin mempelajarinya lebih lanjut.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/