אור מאדה מים מבלי לחמם אותם - עולם הפיזיקה

בתנאים מסוימים, אור יכול לגרום למים להתאדות ישירות, מבלי לחמם אותם קודם. התהליך פועל על ידי ביקוע אשכולות מים מממשק מים-אוויר, וחוקרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) בארה"ב כינו אותו "האפקט הפוטו-מולקולרי" באנלוגיה לאפקט הפוטואלקטרי הידוע.

"החוכמה המקובלת היא שאידוי דורש חום, אבל העבודה שלנו מראה שקיים מנגנון אידוי אחר", מסביר ננו-טכנולוגי ומהנדס מכונות של MIT. כנופיית חן, שהוביל את המחקר. צ'ן מוסיף כי האפקט החדש עשוי להיות יעיל יותר מחום ולכן עשוי להיות שימושי במערכות התפלה סולארית וטכנולוגיות אחרות המשתמשות באור לאידוי מים.

תפנית לא צפויה

חן ועמיתיו חקרו אידוי עקב אינטראקציות בין אור שמש למשטחי חומר מאז 2014. מכיוון שמים אינם סופגים, לבדם, הרבה אור נראה, המחקרים המוקדמים שלהם כללו פיזור חומר שחור, נקבובי, סופג אור במיכל שלהם. מים כדי לסייע בהפיכת אור השמש לחום.

"הנחנו שזה תהליך אידוי תרמי: אור השמש נספג ומומר לחום, שמאדה לאחר מכן מים", אומר חן.

עם זאת, הדברים קיבלו תפנית בלתי צפויה בשנת 2018 כאשר צוות נפרד של חוקרים בראשות Guihua Yu ב אוניברסיטת טקסס באוסטין, ארה"ב, חזר על הניסוי הזה עם הידרוג'ל שחור (חומר שמחזיק מים). הם גילו שקצב האידוי התרמי של החומר היה מהיר פי שניים ממה שהיה צריך להיות, בהתחשב בכמות הכוללת של אנרגיית החום שהדגימה קיבלה ובהנחה שהמנגנון שהוקם היה היחיד שפעל.

בשנת 2019, חן שאל חוקר פוסט-דוקטורט חדש בקבוצתו, יאודונג טו, כדי לחזור על הניסויים של יו. בהתחלה, החוקרים של MIT נאבקו לעשות דגימות עבודה. בסופו של דבר, בעזרת חברי הקבוצה של יו, הם הצליחו לאשר את התוצאות של צוות UT Austin. עם זאת, הם לא השתכנעו מההסבר שהציע הצוות, שהיה למים בהידרוג'ל השחור עשוי להיות חום סמוי נמוך בהרבה מאשר למים רגילים.

"חשדתי שיש אפקטים של פוטון, אז השתמשנו בדיודות פולטות אור (LED) כדי ללמוד כיצד אורך הגל של האור המשמש להארת הדגימות השפיע על קצב התאדות המים", אומר צ'ן. "אכן צפינו בתלות באורך גל ופיזור טמפרטורות מוזר באוויר המרמזות על כמה השפעות פוטון, אבל לא הצלחנו להמציא תמונה פיזיקלית סבירה כדי להסביר את התוצאות הללו."

אנלוגיה מועילה

החוקרים של MIT השקיעו שנה וחצי בבחינת האפשרות של הפחתת חום סמויה, אך הניסויים שלהם הניבו תוצאות שליליות. עם זאת, במהלך הדרך, הם למדו שכמה קבוצות מחקר אחרות דיווחו גם על אידוי סופר-תרמי עם חומרים שונים, כולל חומרים אורגניים.

"באמצע 2021, הבנתי שהדבר היחיד המשותף בין כל הניסויים האלה הוא שטח הפנים המוגדל בין ממשק המים והאוויר", אומר חן עולם הפיזיקה. "לכן שאלתי את עצמי אם אפקט פני השטח אחראי וכאן נכנסה האנלוגיה הפוטואלקטרית".

כפי שהסביר אלברט איינשטיין ב-1905, האפקט הפוטואלקטרי מתרחש כאשר אור המאיר על חומר מכיל מספיק אנרגיה (כמותית) כדי להוציא אלקטרון מהחומר. באנלוגיה, ובהסתמך על הבנתו את משוואות מקסוול ואת הטבע הקוטבי של מולקולות מים, צ'ן הסביר שהדחף מאחורי התצפיות של הצוות שלו עשוי להיות כרוך בכוח מרובע הפועל על דיפול קבוע בממשק האוויר-מים.

למרות שהתיאוריה של צ'ן עדיין הייתה בשלב "הנפת יד", היא בכל זאת הדריכה את חוקרי ה-MIT בתכנון מחדש של הניסויים שלהם. ההצלחה הגיעה כשהם הצליחו להראות שבעוד שלא מים טהורים ולא ההידרוג'לים שהם חקרו סופגים אור נראה, הידרוג'לים מורטבים חלקית כן.

הניסויים של 2019 הוסברו

"ניסויים שלאחר מכן על אידוי מהידרוג'ל PVA טהור, הידרוג'ל עם סופגים שחורים והידרוג'ל נקי מצופה על נייר פחמן שחור, כולם נבדקו", אומר צ'ן. "עם הרעיון שאור נראה יכול לנתק צבירי מים מולקולריים, הצלחנו גם להסביר את הניסויים של 2019."

בתהליכים פוטו-מולקולריים, פוטון מבקע צביר מולקולרי מים מממשק מים-אוויר. בהשוואה לאידוי תרמי, שמאדה מולקולות מים בזו אחר זו, ולכן זקוק לאנרגיה כדי לשבור את הקשרים בין מולקולות המים, האידוי הפוטו-מולקולרי אפוא יעיל יותר באידוי מאשר חום בלבד.

טיפות קופצות אחת מהשנייה באפקט ליידנפרוסט משולש חדש

חן מאמין למנגנון החדש הזה, שהוא ועמיתיו מתארים בו PNAS, יכול להיות משחק בחיי היומיום שלנו. "זה עשוי להיות חשוב, למשל, להבנת מחזור המים של כדור הארץ, ההתחממות הגלובלית וצמיחת הצמחים", הוא אומר. "הגילוי יכול להוביל גם ליישומים הנדסיים חדשים: התחלנו לבדוק התפלה וטיפול בשפכים, אבל ייבוש יכול להיות תחום נוסף שבו ניתן לנצל את המנגנון הזה". מכיוון שהייבוש צורך בסביבות 20% מהאנרגיה המשמשת במגזרים תעשייתיים - כמות שחן מכנה "מדהימה" - לעלייה ביעילות האנרגטית יכולה להיות השפעה משמעותית.

במבט קדימה, החוקרים אומרים שהם רוצים לחזק את העדויות לטובת המנגנון המוצע שלהם ולהתחיל לכמת את ההשפעה. "עשינו המון ניסויים בממשקי מים-אוויר בודדים לשם כך וגם ביצענו ניסויים בענן כדי להראות שהמנגנון הזה עשוי להתקיים גם במחזור המים האטמוספרי", מגלה חן. "יתכן שהאפקט קיים בחומרים אחרים מלבד הידרוג'לים ואנו מקווים שהעבודה שלנו תמשוך את תשומת לבם של חוקרים אחרים שירצו לחקור אותה יותר."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/