光は水を加熱せずに蒸発させる – Physics World

特定の条件下では、水を最初に加熱せずに、光によって直接水が蒸発することがあります。このプロセスは、水と空気の界面から水のクラスターを切り離すことによって機能し、米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは、よく知られている光電効果になぞらえて、これを「光分子効果」と呼んでいます。

「蒸発には熱が必要というのが通説ですが、私たちの研究は別の蒸発メカニズムが存在することを示しています」とMITのナノテクノロジスト兼機械エンジニアは説明する ギャング・チェン、研究を主導した人。チェン氏は、この新しい効果は熱より効率的である可能性があるため、太陽熱淡水化システムや光を使って水を蒸発させるその他の技術に役立つ可能性があると付け加えた。

予想外の展開

チェン氏らは、2014年から太陽光と物質表面の相互作用による蒸発を研究している。水自体は可視光をあまり吸収しないため、初期の研究では黒色の多孔質光吸収物質を容器内に分散させた。太陽光を熱に変換するのに役立つ水。

「私たちはこれが熱蒸発プロセスであると考えていました。太陽光が吸収されて熱に変換され、その後水分が蒸発します」とチェン氏は言います。

しかし、2018 年に事態は予期せぬ方向に進みました。 貴華ゆう テキサス大学オースティン校、米国は、黒色のヒドロゲル（水を保持する材料）を使用してこの実験を繰り返しました。彼らは、サンプルが受け取った熱エネルギーの総量を考慮し、確立されたメカニズムだけが機能していると仮定すると、材料の熱蒸発速度が本来の 2 倍であることを発見しました。

2019年、チェン氏はグループの新しい博士研究員にこう尋ねた。 ヤオドン・トゥ、ユウの実験を繰り返すために。最初、MIT の研究者たちは実用的なサンプルを作るのに苦労しました。最終的に、ユウのグループのメンバーの協力を得て、彼らはテキサス大学オースティン校のチームの結果を確認することに成功しました。しかし、黒色ヒドロゲル中の水は通常の水より潜熱がはるかに低い可能性があるという研究チームの提案した説明には納得できませんでした。

「光子効果が働いているのではないかと考えたので、発光ダイオード (LED) を使用して、サンプルを照らすために使用される光の波長が水の蒸発速度にどのような影響を与えるかを研究しました」とチェン氏は言います。 「私たちは確かに、いくつかの光子の影響を示唆する波長依存性と奇妙な温度分布を空気中で観察しましたが、これらの結果を説明する合理的な物理像を思いつくことができませんでした。」

役に立つ例え

MITの研究者らは潜熱低減の可能性を1年半かけて研究したが、実験では否定的な結果が得られた。しかし、その過程で、他のいくつかの研究グループも、無機物を含むさまざまな材料での超熱蒸発を報告していることを知りました。

「2021 年半ば、これらすべての実験に共通する唯一の点は、水と空気の界面の間の表面積が増加していることに気づきました」とチェン氏は語ります。 物理学の世界。 「そこで私は、表面効果が原因ではないかと自問しました。そして、ここで光電のアナロジーが登場しました。」

アルバート・アインシュタインが 1905 年に説明したように、光電効果は、物質に当たる光が物質から電子を放出するのに十分な (量子化された) エネルギーを含むときに発生します。チェン氏は、マクスウェル方程式と水分子の極性の理解を類推し、チームの観察の背後にある推進力には、空気と水の界面にある永久双極子に作用する四重極力が関与している可能性があると合理化しました。

チェン氏の理論はまだ「手振り」の段階にあったが、MIT の研究者が実験を再設計する際の指針となった。彼らが研究した純水もヒドロゲルも可視光を吸収しないが、部分的に濡れたヒドロゲルは可視光を吸収することを証明できたことが成功となった。

2019年の実験の説明

「その後の純粋な PVA ヒドロゲル、黒い吸収剤を含むヒドロゲル、黒いカーボン紙にコーティングされたきれいなヒドロゲルからの蒸発に関する実験はすべて検証されました」とチェン氏は言います。 「可視光が水分子クラスターを切り離すことができるという考えにより、2019年の実験についても説明することができました。」

光分子プロセスでは、光子が水と空気の界面から水分子のクラスターを切り離します。水の分子を 1 つずつ蒸発させるため、水分子間の結合を切断するのにエネルギーが必要な熱蒸発と比較すると、光分子蒸発は熱だけを使用するよりも蒸発効率が高くなります。

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チェン氏はこの新しいメカニズムを信じており、それについて彼と彼の同僚は次のように述べています。 PNAS、私たちの日常生活に影響を与えている可能性があります。 「それは、たとえば、地球の水循環、地球温暖化、植物の成長を理解するために重要かもしれません」と彼は言います。 「この発見は、新たな工学的応用につながる可能性もあります。私たちは脱塩と廃水処理の検討を始めていますが、乾燥もこのメカニズムを利用できる分野になる可能性があります。」乾燥は工業分野で使用されるエネルギーの約 20% を消費するため、これをチェン氏は「驚異的」と呼んでいますが、エネルギー効率の向上は重大な影響を与える可能性があります。

研究者らは今後に向けて、提案されたメカニズムを支持する証拠を強化し、効果の定量化を始めたいと述べている。 「私たちはこの目的のために、単一の水と空気の境界面で多くの実験を行ってきました。また、このメカニズムが大気中の水循環にも存在する可能性があることを示すために雲の実験も行ってきました」とチェン氏は明かします。 「この効果はヒドロゲル以外の他の材料にも存在する可能性が高く、私たちの研究がそれをさらに研究したいと考えている他の研究者の注目を集めるように願っています。」

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