La luce fa evaporare l’acqua senza riscaldarla – Physics World

In determinate condizioni, la luce può far evaporare direttamente l’acqua, senza prima riscaldarla. Il processo funziona separando gruppi d’acqua dall’interfaccia acqua-aria e i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti lo hanno soprannominato “effetto fotomolecolare” in analogia con il noto effetto fotoelettrico.

“L’opinione comune è che l’evaporazione richieda calore, ma il nostro lavoro mostra che esiste un altro meccanismo di evaporazione”, spiega il nanotecnologo e ingegnere meccanico del MIT Banda Chen, che ha condotto la ricerca. Chen aggiunge che il nuovo effetto potrebbe essere più efficiente del calore e potrebbe quindi essere utile nei sistemi di desalinizzazione solare e in altre tecnologie che utilizzano la luce per far evaporare l’acqua.

Una svolta inaspettata

Chen e colleghi studiano l’evaporazione dovuta alle interazioni tra la luce solare e le superfici dei materiali dal 2014. Poiché l’acqua, di per sé, non assorbe molta luce visibile, i loro primi studi prevedevano la dispersione di un materiale nero, poroso e che assorbe la luce nel loro contenitore di acqua. acqua per favorire la conversione della luce solare in calore.

"Avevamo ipotizzato che si trattasse di un processo di evaporazione termica: la luce solare viene assorbita e convertita in calore, che successivamente fa evaporare l'acqua", afferma Chen.

Tuttavia, le cose hanno preso una svolta inaspettata nel 2018, quando un team separato di ricercatori è stato guidato da Guihua Yu alla Università del Texas a Austin, negli Stati Uniti, hanno ripetuto questo esperimento con un idrogel nero (un materiale che trattiene l'acqua). Hanno scoperto che il tasso di evaporazione termica del materiale era due volte più veloce di quanto avrebbe dovuto essere, data la quantità totale di energia termica ricevuta dal campione e presupponendo che il meccanismo stabilito fosse l’unico in funzione.

Nel 2019, Chen ha chiesto a un nuovo ricercatore post-dottorato nel suo gruppo, Yaodong Tu, per ripetere gli esperimenti di Yu. Inizialmente, i ricercatori del MIT hanno faticato a realizzare campioni funzionanti. Alla fine, con l'aiuto dei membri del gruppo di Yu, sono riusciti a confermare i risultati del team dell'UT Austin. Tuttavia, non erano convinti della spiegazione suggerita dal team, ovvero che l’acqua nell’idrogel nero potrebbe avere un calore latente molto più basso rispetto all’acqua normale.

"Sospettavo che ci fossero effetti fotonici in gioco, quindi abbiamo utilizzato diodi emettitori di luce (LED) per studiare come la lunghezza d'onda della luce utilizzata per illuminare i campioni influenzasse la velocità con cui l'acqua evaporava", afferma Chen. “Abbiamo effettivamente osservato una dipendenza dalla lunghezza d’onda e strane distribuzioni della temperatura nell’aria che implicano alcuni effetti fotonici, ma non siamo riusciti a fornire un quadro fisico ragionevole per spiegare questi risultati”.

Un'analogia utile

I ricercatori del MIT hanno trascorso un anno e mezzo a studiare la possibilità di riduzione del calore latente, ma i loro esperimenti hanno prodotto risultati negativi. Lungo il percorso, però, hanno appreso che anche alcuni altri gruppi di ricerca stavano segnalando l’evaporazione supertermica con materiali diversi, compresi quelli inorganici.

"A metà del 2021, mi sono reso conto che l'unica cosa in comune tra tutti questi esperimenti era l'aumento della superficie tra l'interfaccia acqua e aria", dice Chen Mondo della fisica. “Mi sono quindi chiesto se il responsabile fosse un effetto superficiale ed è qui che è entrata in gioco l’analogia fotoelettrica”.

Come spiegò Albert Einstein nel 1905, l’effetto fotoelettrico si verifica quando la luce che colpisce un materiale contiene abbastanza energia (quantizzata) per espellere un elettrone dal materiale. Per analogia, e attingendo alla sua comprensione delle equazioni di Maxwell e della natura polare delle molecole d'acqua, Chen ha razionalizzato che l'impulso dietro le osservazioni del suo gruppo potrebbe comportare una forza quadrupolare che agisce su un dipolo permanente all'interfaccia aria-acqua.

Anche se la teoria di Chen era ancora allo stadio di "agitazione delle mani", ha comunque guidato i ricercatori del MIT nella riprogettazione dei loro esperimenti. Il successo è arrivato quando sono stati in grado di dimostrare che mentre né l’acqua pura né gli idrogel studiati assorbono la luce visibile, gli idrogel parzialmente bagnati lo fanno.

Spiegati gli esperimenti del 2019

"I successivi esperimenti sull'evaporazione da un idrogel PVA puro, un idrogel con assorbitori neri e un idrogel pulito rivestito su carta carbone nera sono stati tutti verificati", afferma Chen. “Con l’idea che la luce visibile può separare i cluster molecolari dell’acqua, siamo stati anche in grado di spiegare gli esperimenti del 2019”.

Nei processi fotomolecolari, un fotone separa un cluster molecolare d'acqua dall'interfaccia acqua-aria. Rispetto all’evaporazione termica, che fa evaporare le molecole d’acqua una per una, e quindi necessita di energia per rompere i legami tra le molecole d’acqua, l’evaporazione fotomolecolare è quindi più efficiente nell’evaporare rispetto al solo calore.

Le goccioline rimbalzano le une sulle altre con il nuovo triplo effetto Leidenfrost

Chen crede in questo nuovo meccanismo, descritto da lui e dai suoi colleghi PNAS, potrebbero entrare in gioco nella nostra vita quotidiana. "Potrebbe essere importante, ad esempio, per comprendere il ciclo dell'acqua terrestre, il riscaldamento globale e la crescita delle piante", afferma. “La scoperta potrebbe anche portare a nuove applicazioni ingegneristiche: abbiamo iniziato a studiare la desalinizzazione e il trattamento delle acque reflue, ma l’essiccazione potrebbe essere un altro ambito in cui questo meccanismo potrebbe essere sfruttato”. Poiché l’essiccazione consuma circa il 20% dell’energia utilizzata nei settori industriali – una quantità che Chen definisce “sconcertante” – un aumento dell’efficienza energetica potrebbe avere un impatto significativo.

Guardando al futuro, i ricercatori affermano che vorrebbero rafforzare le prove a favore del meccanismo proposto e iniziare a quantificarne l’effetto. “Abbiamo condotto molti esperimenti sulle singole interfacce acqua-aria a questo scopo e abbiamo anche eseguito esperimenti sulle nuvole per dimostrare che questo meccanismo potrebbe esistere anche nel ciclo atmosferico dell’acqua”, rivela Chen. “L’effetto potrebbe benissimo esistere in altri materiali oltre agli idrogel e speriamo che il nostro lavoro attiri l’attenzione di altri ricercatori che vorranno studiarlo ulteriormente”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/