Lys fordamper vann uten å varme det opp – Physics World

Lys fordamper vann uten å varme det opp – Physics World

Tidsstempel: 5. januar 2024 7:00

Kunstnerens illustrasjon av et vannmolekyl
Fotomolekylær effekt: Ved grensesnittet mellom vann og luft kan lys, under visse forhold, indusere fordampning uten behov for varme, ifølge en ny studie av forskere ved MIT. (Med tillatelse: Shutterstock/Valenty)

Under visse forhold kan lys få vann til å fordampe direkte, uten å varme det opp først. Prosessen fungerer ved å spalte vannklynger fra vann-luft-grensesnittet, og forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA har kalt den "fotomolekylær effekt" i analogi med den velkjente fotoelektriske effekten.

"Den konvensjonelle visdommen er at fordampning krever varme, men arbeidet vårt viser at det finnes en annen fordampningsmekanisme," forklarer MIT nanoteknolog og maskiningeniør Gjengen Chen, som ledet forskningen. Chen legger til at den nye effekten kan være mer effektiv enn varme og kan derfor være nyttig i solavsaltingssystemer og andre teknologier som bruker lys til å fordampe vann.

En uventet vending

Chen og medarbeidere har studert fordampning på grunn av interaksjoner mellom sollys og materialoverflater siden 2014. Fordi vann ikke alene absorberer mye synlig lys, involverte deres tidlige studier å spre et svart, porøst, lysabsorberende materiale i deres beholder med vann for å hjelpe omdannelsen av sollys til varme.

"Vi hadde antatt at det var en termisk fordampningsprosess: sollys absorberes og omdannes til varme, som deretter fordamper vann," sier Chen.

Ting tok imidlertid en uventet vending i 2018 da et eget team av forskere ledet av Guihua Yu på University of Texas at Austin, USA, gjentok dette eksperimentet med en svart hydrogel (et materiale som holder vann). De fant at materialets termiske fordampningshastighet var dobbelt så rask som den burde vært, gitt den totale mengden varmeenergi prøven mottok og forutsatt at den etablerte mekanismen var den eneste i arbeid.

I 2019 spurte Chen en ny postdoktor i sin gruppe, Yaodong Tu, for å gjenta Yus eksperimenter. Til å begynne med slet MIT-forskerne med å lage arbeidsprøver. Til slutt, med hjelp fra medlemmer av Yus gruppe, lyktes de i å bekrefte UT Austin-teamets resultater. Imidlertid ble de ikke overbevist av teamets foreslåtte forklaring, som var at vann i den svarte hydrogelen kan ha en mye lavere latent varme enn vanlig vann.

"Jeg mistenkte at det var fotoneffekter i spill, så vi brukte lysemitterende dioder (LED) for å studere hvordan bølgelengden til lyset som ble brukt til å belyse prøvene påvirket hastigheten vannet fordampet med," sier Chen. "Vi har faktisk observert en bølgelengdeavhengighet og merkelige temperaturfordelinger i luft som innebærer noen fotoneffekter, men vi kunne ikke komme opp med et fornuftig fysisk bilde for å forklare disse resultatene."

En nyttig analogi

MIT-forskerne brukte halvannet år på å studere muligheten for latent varmereduksjon, men eksperimentene deres ga negative resultater. Underveis fikk de imidlertid vite at noen få andre forskningsgrupper også rapporterte supertermisk fordampning med forskjellige materialer, inkludert uorganiske.

"Midt av 2021 innså jeg at det eneste felles mellom alle disse eksperimentene var det økte overflatearealet mellom vann- og luftgrensesnittet," forteller Chen Fysikkens verden. "Jeg spurte meg selv om en overflateeffekt var ansvarlig, og det var her den fotoelektriske analogien kom inn."

Som Albert Einstein forklarte i 1905, oppstår den fotoelektriske effekten når lys som skinner på et materiale inneholder nok (kvantisert) energi til å kaste ut et elektron fra materialet. Ved  analogi, og ved å trekke på sin forståelse av Maxwells ligninger og den polare naturen til vannmolekyler, rasjonaliserte Chen at drivkraften bak teamets observasjoner kan innebære en kvadrupolkraft som virker på en permanent dipol ved luft-vann-grensesnittet.

Selv om Chens teori fortsatt var på "håndsvingende"-stadiet, veiledet den likevel MIT-forskerne i å redesigne eksperimentene deres. Suksessen kom da de var i stand til å vise at mens verken rent vann eller hydrogelene de studerte absorberer synlig lys, gjør delvis fuktede hydrogeler det.

2019-eksperimentene forklart

"Etterfølgende eksperimenter på fordampning fra en ren PVA-hydrogel, en hydrogel med svarte absorbere og en ren hydrogel belagt på svart karbonpapir, ble alle sjekket ut," sier Chen. "Med ideen om at synlig lys kan spalte av vannmolekylære klynger, var vi også i stand til å forklare 2019-eksperimentene."

I fotomolekylære prosesser spalter et foton av en vannmolekylær klynge fra vann-luft-grensesnittet. Sammenlignet med termisk fordampning, som fordamper vannmolekyler én etter én, og derfor trenger energi for å bryte bindingene mellom vannmolekyler, er fotomolekylær fordampning dermed mer effektiv til å fordampe enn varme alene.

Chen tror denne nye mekanismen, som han og kollegene beskriver i PNAS, kan være på spill i hverdagen vår. "Det kan for eksempel være viktig for å forstå jordens vannsyklus, global oppvarming og plantevekst," sier han. "Oppdagelsen kan også føre til nye ingeniørapplikasjoner: vi har begynt å se nærmere på avsalting og behandling av avløpsvann, men tørking kan være et annet område der denne mekanismen kan utnyttes." Fordi tørking forbruker rundt 20 % av energien som brukes i industrielle sektorer – en mengde Chen kaller «svakrende» – kan en økning i energieffektivitet ha en betydelig innvirkning.

Ser frem til, sier forskerne at de ønsker å styrke bevisene til fordel for deres foreslåtte mekanisme og begynne å kvantifisere effekten. "Vi har gjort mange eksperimenter på enkelt vann-luft-grensesnitt for dette formål og også utført skyeksperimenter for å vise at denne mekanismen også kan eksistere i den atmosfæriske vannsyklusen," avslører Chen. "Effekten kan godt eksistere i andre materialer bortsett fra hydrogeler, og vi håper arbeidet vårt vil tiltrekke seg oppmerksomheten til andre forskere som vil ønske å studere det videre."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden