A luz evapora a água sem aquecê-la – Physics World

A luz evapora a água sem aquecê-la – Physics World

Carimbo de data / hora: 5 de janeiro de 2024 7h00

Ilustração artística de uma molécula de água
Efeito fotomolecular: Na interface água-ar, a luz pode, sob certas condições, induzir a evaporação sem a necessidade de calor, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT. (Cortesia: Shutterstock/Valenty)

Sob certas condições, a luz pode fazer com que a água evapore diretamente, sem aquecê-la primeiro. O processo funciona separando aglomerados de água da interface água-ar, e pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos EUA, apelidaram-no de “efeito fotomolecular”, em analogia ao conhecido efeito fotoelétrico.

“A sabedoria convencional é que a evaporação requer calor, mas nosso trabalho mostra que existe outro mecanismo de evaporação”, explica o nanotecnólogo e engenheiro mecânico do MIT. Gangue Chen, que liderou a pesquisa. Chen acrescenta que o novo efeito pode ser mais eficiente que o calor e, portanto, ser útil em sistemas de dessalinização solar e outras tecnologias que utilizam luz para evaporar a água.

Uma virada inesperada

Chen e seus colegas estudam a evaporação devido às interações entre a luz solar e as superfícies dos materiais desde 2014. Como a água, por si só, não absorve muita luz visível, seus primeiros estudos envolveram a dispersão de um material preto, poroso e absorvente de luz em seu recipiente de água para ajudar na conversão da luz solar em calor.

“Presumimos que se tratava de um processo de evaporação térmica: a luz solar é absorvida e convertida em calor, que posteriormente evapora a água”, diz Chen.

No entanto, as coisas tomaram um rumo inesperado em 2018, quando uma equipa separada de investigadores liderada por Guihua Yu no Universidade do Texas em Austin, EUA, repetiu esta experiência com um hidrogel preto (um material que retém água). Eles descobriram que a taxa de evaporação térmica do material foi duas vezes mais rápida do que deveria, dada a quantidade total de energia térmica que a amostra recebeu e assumindo que o mecanismo estabelecido era o único em funcionamento.

Em 2019, Chen perguntou a um novo pesquisador de pós-doutorado de seu grupo, Yaodong Tu, para repetir os experimentos de Yu. No início, os pesquisadores do MIT lutaram para produzir amostras funcionais. Eventualmente, com a ajuda de membros do grupo de Yu, eles conseguiram confirmar os resultados da equipe do UT Austin. No entanto, eles não ficaram convencidos com a explicação sugerida pela equipe, que era a de que a água no hidrogel preto poderia ter um calor latente muito menor do que a água comum.

“Suspeitei que houvesse efeitos de fótons em jogo, então empregamos diodos emissores de luz (LEDs) para estudar como o comprimento de onda da luz usado para iluminar as amostras afetava a taxa de evaporação da água”, diz Chen. “De facto, observámos uma dependência do comprimento de onda e estranhas distribuições de temperatura no ar que implicam alguns efeitos de fotões, mas não conseguimos apresentar uma imagem física razoável para explicar estes resultados.”

Uma analogia útil

Os pesquisadores do MIT passaram um ano e meio estudando a possibilidade de redução do calor latente, mas seus experimentos produziram resultados negativos. Ao longo do caminho, porém, eles aprenderam que alguns outros grupos de pesquisa também relatavam evaporação supertérmica com diferentes materiais, inclusive inorgânicos.

“Em meados de 2021, percebi que a única coisa em comum entre todos esses experimentos era o aumento da área de superfície entre a interface água e ar”, disse Chen. Mundo da física. “Portanto, perguntei-me se um efeito de superfície seria o responsável e foi aí que entrou a analogia fotoelétrica.”

Como Albert Einstein explicou em 1905, o efeito fotoelétrico ocorre quando a luz que incide sobre um material contém energia (quantizada) suficiente para ejetar um elétron do material. Por analogia, e com base na sua compreensão das equações de Maxwell e da natureza polar das moléculas de água, Chen racionalizou que o ímpeto por detrás das observações da sua equipa poderia envolver uma força quadrupolo actuando sobre um dipolo permanente na interface ar-água.

Embora a teoria de Chen ainda estivesse na fase de “acenar com a mão”, ela orientou os pesquisadores do MIT no redesenho de seus experimentos. O sucesso veio quando eles conseguiram mostrar que, embora nem a água pura nem os hidrogéis que estudaram absorvam a luz visível, os hidrogéis parcialmente umedecidos o fazem.

Os experimentos de 2019 explicados

“Experimentos subsequentes sobre evaporação de um hidrogel de PVA puro, um hidrogel com absorvedores pretos e um hidrogel limpo revestido em papel carbono preto foram verificados”, diz Chen. “Com a ideia de que a luz visível pode separar aglomerados moleculares de água, também conseguimos explicar os experimentos de 2019.”

Nos processos fotomoleculares, um fóton separa um aglomerado molecular de água da interface água-ar. Em comparação com a evaporação térmica, que evapora as moléculas de água uma a uma e, portanto, precisa de energia para quebrar as ligações entre as moléculas de água, a evaporação fotomolecular é, portanto, mais eficiente na evaporação do que apenas o calor.

Chen acredita que este novo mecanismo, que ele e seus colegas descrevem em PNAS, poderia estar em jogo em nossas vidas diárias. “Pode ser importante, por exemplo, para compreender o ciclo da água na Terra, o aquecimento global e o crescimento das plantas”, diz ele. “A descoberta também pode levar a novas aplicações de engenharia: começámos a estudar a dessalinização e o tratamento de águas residuais, mas a secagem pode ser outra área em que este mecanismo pode ser explorado.” Dado que a secagem consome cerca de 20% da energia utilizada nos sectores industriais – uma quantidade que Chen chama de “impressionante” – um aumento na eficiência energética poderia ter um impacto significativo.

Olhando para o futuro, os investigadores dizem que gostariam de reforçar as evidências a favor do mecanismo proposto e começar a quantificar o efeito. “Temos feito muitos experimentos em interfaces únicas água-ar para esse fim e também realizamos experimentos em nuvens para mostrar que esse mecanismo também pode existir no ciclo atmosférico da água”, revela Chen. “O efeito pode muito bem existir noutros materiais além dos hidrogéis e esperamos que o nosso trabalho atraia a atenção de outros investigadores que queiram estudá-lo mais profundamente.”

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