Licht verdampt water zonder het te verwarmen – Physics World

Licht verdampt water zonder het te verwarmen – Physics World

Tijdstempel: 5 januari 2024 7:00 uur

Artistieke illustratie van een watermolecuul
Fotomoleculair effect: Op het grensvlak tussen water en lucht kan licht, onder bepaalde omstandigheden, verdamping veroorzaken zonder dat er warmte nodig is, volgens een nieuwe studie van onderzoekers van het MIT. (Met dank aan: Shutterstock/Valenty)

Onder bepaalde omstandigheden kan licht ervoor zorgen dat water direct verdampt, zonder het eerst te verwarmen. Het proces werkt door het afsplitsen van waterclusters van het grensvlak tussen water en lucht, en onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS hebben dit het ‘fotomoleculaire effect’ genoemd, naar analogie met het bekende foto-elektrische effect.

“De conventionele wijsheid is dat verdamping warmte vereist, maar ons werk laat zien dat er een ander verdampingsmechanisme bestaat”, legt MIT-nanotechnoloog en werktuigbouwkundig ingenieur uit. Bende Chen, die het onderzoek leidde. Chen voegt eraan toe dat het nieuwe effect mogelijk efficiënter is dan warmte en daarom nuttig kan zijn in ontziltingssystemen op zonne-energie en andere technologieën die licht gebruiken om water te verdampen.

Een onverwachte wending

Chen en collega's bestuderen sinds 2014 verdamping als gevolg van interacties tussen zonlicht en materiaaloppervlakken. Omdat water op zichzelf niet veel zichtbaar licht absorbeert, omvatten hun vroege onderzoeken het verspreiden van een zwart, poreus, lichtabsorberend materiaal in hun container met water om de omzetting van zonlicht in warmte te bevorderen.

“We gingen ervan uit dat het een thermisch verdampingsproces was: zonlicht wordt geabsorbeerd en omgezet in warmte, waardoor water verdampt”, zegt Chen.

In 2018 namen de zaken echter een onverwachte wending toen een apart team van onderzoekers aan het roer kwam Guihua Yu de Universiteit van Texas in Austin, VS, herhaalden dit experiment met een zwarte hydrogel (een materiaal dat water vasthoudt). Ze ontdekten dat de thermische verdampingssnelheid van het materiaal twee keer zo snel was als zou moeten, gezien de totale hoeveelheid warmte-energie die het monster ontving en ervan uitgaande dat het gevestigde mechanisme het enige was dat werkte.

In 2019 vroeg Chen aan een nieuwe postdoctoraal onderzoeker in zijn groep: Yaodong Tu, om Yu’s experimenten te herhalen. In eerste instantie hadden de MIT-onderzoekers moeite om werkende monsters te maken. Uiteindelijk slaagden ze er, met hulp van leden van Yu's groep, in om de resultaten van het UT Austin-team te bevestigen. Ze waren echter niet overtuigd door de door het team voorgestelde verklaring, namelijk dat water in de zwarte hydrogel mogelijk een veel lagere latente warmte heeft dan gewoon water.

“Ik vermoedde dat er fotoneneffecten in het spel waren, dus gebruikten we light-emitting diodes (LED’s) om te bestuderen hoe de golflengte van het licht dat werd gebruikt om de monsters te verlichten, de snelheid beïnvloedde waarmee water verdampte”, zegt Chen. "We hebben inderdaad een golflengteafhankelijkheid en vreemde temperatuurverdelingen in de lucht waargenomen die enkele fotoneffecten impliceren, maar we konden geen redelijk fysiek beeld bedenken om deze resultaten te verklaren."

Een nuttige analogie

De MIT-onderzoekers hebben anderhalf jaar lang de mogelijkheid van latente warmtereductie bestudeerd, maar hun experimenten leverden negatieve resultaten op. Gaandeweg kwamen ze er echter achter dat een paar andere onderzoeksgroepen ook superthermische verdamping rapporteerden met verschillende materialen, waaronder anorganische materialen.

“Midden 2021 besefte ik dat het enige wat al deze experimenten gemeen hadden, het grotere oppervlak tussen het water- en luchtgrensvlak was”, vertelt Chen. Natuurkunde wereld. "Ik vroeg mezelf daarom af of een oppervlakte-effect verantwoordelijk was en hier kwam de foto-elektrische analogie om de hoek kijken."

Zoals Albert Einstein in 1905 uitlegde, treedt het foto-elektrische effect op wanneer licht dat op een materiaal schijnt voldoende (gekwantiseerde) energie bevat om een ​​elektron uit het materiaal te werpen. Naar analogie, en voortbouwend op zijn begrip van de vergelijkingen van Maxwell en de polaire aard van watermoleculen, rationaliseerde Chen dat de drijfveer achter de observaties van zijn team een ​​quadrupoolkracht zou kunnen inhouden die inwerkt op een permanente dipool op het grensvlak tussen lucht en water.

Hoewel de theorie van Chen zich nog in het stadium van ‘handzwaaien’ bevond, was het toch een leidraad voor de MIT-onderzoekers bij het herontwerpen van hun experimenten. Het succes kwam toen ze konden aantonen dat hoewel noch zuiver water, noch de hydrogels die ze bestudeerden, zichtbaar licht absorberen, gedeeltelijk bevochtigde hydrogels dat wel doen.

De experimenten van 2019 uitgelegd

“Daaropvolgende experimenten met de verdamping van een pure PVA-hydrogel, een hydrogel met zwarte absorbers en een schone hydrogel gecoat op zwart carbonpapier, leverden allemaal resultaat op”, zegt Chen. “Met het idee dat zichtbaar licht watermoleculaire clusters kan afsplitsen, konden we ook de experimenten uit 2019 verklaren.”

Bij fotomoleculaire processen splitst een foton een watermoleculaire cluster af van het water-lucht grensvlak. Vergeleken met thermische verdamping, waarbij watermoleculen één voor één verdampen en daarom energie nodig heeft om de bindingen tussen watermoleculen te verbreken, is fotomoleculaire verdamping dus efficiënter in het verdampen dan alleen warmte.

Chen gelooft in dit nieuwe mechanisme, dat hij en zijn collega's beschrijven PNAS, kunnen een rol spelen in ons dagelijks leven. “Het kan bijvoorbeeld belangrijk zijn voor het begrijpen van de watercyclus van de aarde, de opwarming van de aarde en de plantengroei”, zegt hij. “De ontdekking zou ook kunnen leiden tot nieuwe technische toepassingen: we zijn begonnen met het onderzoeken van ontzilting en afvalwaterzuivering, maar drogen zou een ander gebied kunnen zijn waarop dit mechanisme zou kunnen worden benut.” Omdat het drogen ongeveer 20% van de energie verbruikt die in industriële sectoren wordt gebruikt – een hoeveelheid die Chen ‘verbijsterend’ noemt – zou een verhoging van de energie-efficiëntie een aanzienlijke impact kunnen hebben.

Vooruitkijkend zeggen de onderzoekers dat ze het bewijsmateriaal ten gunste van hun voorgestelde mechanisme willen versterken en het effect willen kwantificeren. “We hebben met dit doel veel experimenten gedaan op afzonderlijke water-lucht-grensvlakken en ook wolkenexperimenten uitgevoerd om aan te tonen dat dit mechanisme ook zou kunnen bestaan ​​in de atmosferische watercyclus”, onthult Chen. "Het effect zou heel goed kunnen bestaan ​​in andere materialen, afgezien van hydrogels, en we hopen dat ons werk de aandacht zal trekken van andere onderzoekers die het verder willen bestuderen."

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld