빛은 가열하지 않고 물을 증발시킵니다. – 물리학 세계

빛은 가열하지 않고 물을 증발시킵니다. – 물리학 세계

타임 스탬프 : 5 년 2024 월 7 일 오전 00:XNUMX

예술가의 물 분자 그림
광분자 효과: MIT 연구원들의 새로운 연구에 따르면 물과 공기의 경계면에서 빛은 특정 조건에서 열 없이 증발을 유도할 수 있다고 합니다. (제공: Shutterstock/Valenty)

특정 조건에서는 빛으로 인해 물을 먼저 가열하지 않고 직접 증발시킬 수 있습니다. 이 과정은 물-공기 경계면에서 물 클러스터를 분리함으로써 작동하며, 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구진은 이를 잘 알려진 광전 효과와 유사하게 '광분자 효과'라고 명명했습니다.

MIT의 나노기술자이자 기계공학자는 “기존의 통념은 증발에 열이 필요하다는 것입니다. 그러나 우리의 연구는 또 다른 증발 메커니즘이 존재한다는 것을 보여줍니다.”라고 설명합니다. 갱첸, 연구를 주도한 사람입니다. Chen은 새로운 효과가 열보다 더 효율적일 수 있으므로 태양열 담수화 시스템 및 빛을 사용하여 물을 증발시키는 기타 기술에 유용할 수 있다고 덧붙였습니다.

예상치 못한 차례

Chen과 동료들은 2014년부터 햇빛과 물질 표면 사이의 상호 작용으로 인한 증발을 연구해 왔습니다. 물 자체는 가시광선을 많이 흡수하지 않기 때문에 초기 연구에서는 검정색의 다공성 빛 흡수 물질을 용기에 분산시키는 것이 포함되었습니다. 햇빛을 열로 변환하는 데 도움이 되는 물.

“우리는 이것이 열 증발 과정이라고 가정했습니다. 햇빛이 흡수되어 열로 변환되고, 그 결과 물이 증발합니다.”라고 Chen은 말합니다.

그러나 2018년에 별도의 연구팀이 주도하면서 상황은 예상치 못한 방향으로 바뀌었습니다. 유 귀화 에 오스틴 텍사스 대학, 미국에서는 검은색 하이드로겔(물을 담는 물질)을 사용하여 이 실험을 반복했습니다. 그들은 샘플이 받은 열 에너지의 총량을 고려하고 확립된 메커니즘이 작동하는 유일한 메커니즘이라고 가정할 때 재료의 열 증발 속도가 예상보다 두 배나 빠르다는 것을 발견했습니다.

2019년 첸은 자신이 속한 그룹의 새로운 박사후 연구원에게 이렇게 물었습니다. 투 야오동, Yu의 실험을 반복합니다. 처음에 MIT 연구원들은 작업 샘플을 만드는 데 어려움을 겪었습니다. 결국 유 일행의 도움으로 UT 오스틴 팀의 결과를 확인하는 데 성공했다. 그러나 연구진은 검은색 하이드로젤에 담긴 물이 일반 물보다 잠열이 훨씬 낮을 수 있다는 연구팀의 설명을 납득하지 못했다.

Chen은 “광자 효과가 작용할 것이라고 의심했기 때문에 발광 다이오드(LED)를 사용하여 샘플을 조명하는 데 사용된 빛의 파장이 물이 증발하는 속도에 어떤 영향을 미치는지 연구했습니다.”라고 Chen은 말합니다. "우리는 실제로 일부 광자 효과를 암시하는 공기 중 파장 의존성과 이상한 온도 분포를 관찰했지만 이러한 결과를 설명할 수 있는 합리적인 물리적 그림을 제시할 수 없었습니다."

유용한 비유

MIT 연구진은 잠열 감소 가능성에 대해 1년 반 동안 연구했지만, 실험 결과는 부정적인 결과를 낳았다. 하지만 그 과정에서 그들은 몇몇 다른 연구 그룹에서도 무기 물질을 포함한 다양한 물질을 사용한 초열 증발을 보고하고 있다는 사실을 알게 되었습니다.

Chen은 "2021년 중반에 이 모든 실험의 유일한 공통점은 물과 공기 경계면 사이의 표면적이 증가했다는 것"이라고 말했습니다. 물리 세계. "그래서 나는 표면 효과가 원인인지 스스로에게 물었고 이것이 광전 비유가 나온 곳입니다."

앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 1905년에 설명했듯이 광전 효과는 물질에 빛이 물질로부터 전자를 방출하기에 충분한(양자화된) 에너지를 포함할 때 발생합니다. Chen은 비유를 통해 Maxwell의 방정식과 물 분자의 극성 특성에 대한 이해를 바탕으로 팀 관찰의 원동력이 공기-물 경계면에서 영구 쌍극자에 작용하는 사중극자 힘과 관련이 있을 수 있다는 점을 합리화했습니다.

Chen의 이론은 아직 "손 흔드는" 단계에 있었지만 그럼에도 불구하고 MIT 연구원들이 실험을 재설계하는 데 도움이 되었습니다. 그들이 연구한 순수한 물이나 하이드로겔은 가시광선을 흡수하지 않지만 부분적으로 젖은 하이드로겔은 흡수한다는 것을 보여줄 수 있었을 때 성공했습니다.

2019년 실험 설명

Chen은 "순수한 PVA 하이드로겔, 검은색 흡수제가 있는 하이드로겔, 검은색 탄소 종이에 코팅된 깨끗한 하이드로겔의 증발에 대한 후속 실험이 모두 확인되었습니다."라고 말했습니다. “가시광선이 물 분자 클러스터를 절단할 수 있다는 아이디어로 2019년 실험도 설명할 수 있었습니다.”

광분자 과정에서 광자는 물-공기 경계면에서 물 분자 클러스터를 분리합니다. 물 분자를 하나씩 증발시키기 때문에 물 분자 사이의 결합을 끊는 데 에너지가 필요한 열 증발과 비교할 때 광분자 증발은 열만 증발시키는 것보다 증발에 더 효율적입니다.

Chen은 그와 그의 동료들이 설명하는 이 새로운 메커니즘을 믿습니다. PNAS, 우리의 일상생활에 적용될 수 있습니다. “예를 들어 지구의 물 순환, 지구 온난화, 식물 성장을 이해하는 데 중요할 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. "이 발견은 또한 새로운 엔지니어링 응용으로 이어질 수 있습니다. 우리는 담수화 및 폐수 처리를 조사하기 시작했지만 건조는 이 메커니즘을 활용할 수 있는 또 다른 영역이 될 수 있습니다." 건조는 산업 부문에서 사용되는 에너지의 약 20%를 소비하기 때문에(Chen이 "엄청난 수준"이라고 부르는 양) 에너지 효율의 증가는 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

연구자들은 앞으로 제안된 메커니즘에 대한 증거를 강화하고 그 효과를 정량화하기를 원한다고 말했습니다. Chen은 "우리는 이를 위해 단일 물-공기 인터페이스에 대한 많은 실험을 수행해 왔으며 이 메커니즘이 대기 물 순환에도 존재할 수 있음을 보여주기 위해 구름 실험도 수행했습니다."라고 밝혔습니다. "이 효과는 하이드로겔을 제외한 다른 물질에도 존재할 수 있으며 우리의 연구가 이를 더 연구하고 싶어하는 다른 연구자들의 관심을 끌기를 바랍니다."

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