Lumina evaporă apa fără a o încălzi – Physics World

În anumite condiții, lumina poate face ca apa să se evapore direct, fără a o încălzi mai întâi. Procesul funcționează prin scindarea clusterelor de apă din interfața apă-aer, iar cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) din SUA l-au numit „efectul fotomolecular”, în analogie cu binecunoscutul efect fotoelectric.

„Înțelepciunea convențională este că evaporarea necesită căldură, dar munca noastră arată că există un alt mecanism de evaporare”, explică nanotehnologul și inginer mecanic MIT. Gang Chen, care a condus cercetarea. Chen adaugă că noul efect poate fi mai eficient decât căldura și, prin urmare, ar putea fi util în sistemele de desalinizare solară și în alte tehnologii care folosesc lumina pentru a evapora apa.

O întorsătură neașteptată

Chen și colegii au studiat evaporarea din cauza interacțiunilor dintre lumina soarelui și suprafețele materiale din 2014. Deoarece apa nu absoarbe, singură, multă lumină vizibilă, studiile lor timpurii au implicat dispersarea unui material negru, poros, care absoarbe lumina în recipientul lor de apă pentru a ajuta la transformarea luminii solare în căldură.

„Am presupus că este un proces de evaporare termică: lumina soarelui este absorbită și transformată în căldură, care ulterior evaporă apa”, spune Chen.

Cu toate acestea, lucrurile au luat o întorsătură neașteptată în 2018, când o echipă separată de cercetători condusă de Guihua Yu de la Universitatea din Texas, Austin, SUA, a repetat acest experiment cu un hidrogel negru (un material care reține apa). Ei au descoperit că rata de evaporare termică a materialului a fost de două ori mai rapidă decât ar fi trebuit să fie, având în vedere cantitatea totală de energie termică primită de eșantion și presupunând că mecanismul stabilit era singurul care funcționează.

În 2019, Chen a cerut unui nou cercetător postdoctoral din grupul său, Yaodong Tu, pentru a repeta experimentele lui Yu. La început, cercetătorii MIT s-au străduit să facă mostre de lucru. În cele din urmă, cu ajutorul membrilor grupului lui Yu, au reușit să confirme rezultatele echipei UT Austin. Cu toate acestea, ei nu au fost convinși de explicația sugerată de echipă, care a fost că apa din hidrogelul negru ar putea avea o căldură latentă mult mai mică decât apa obișnuită.

„Am bănuit că există efecte fotonice în joc, așa că am folosit diode emițătoare de lumină (LED-uri) pentru a studia modul în care lungimea de undă a luminii folosită pentru a ilumina probele a afectat viteza cu care apa s-a evaporat”, spune Chen. „Am observat într-adevăr o dependență de lungimea de undă și distribuții ciudate de temperatură în aer care implică unele efecte fotonice, dar nu am putut veni cu o imagine fizică rezonabilă pentru a explica aceste rezultate.”

O analogie utilă

Cercetătorii MIT au petrecut un an și jumătate studiind posibilitatea reducerii căldurii latente, dar experimentele lor au dat rezultate negative. Pe parcurs, însă, au aflat că alte câteva grupuri de cercetare raportau și evaporarea super-termică cu diferite materiale, inclusiv cele anorganice.

„La jumătatea anului 2021, mi-am dat seama că singurul lucru în comun dintre toate aceste experimente a fost suprafața crescută dintre interfața apă și aer”, spune Chen. Lumea fizicii. „De aceea m-am întrebat dacă un efect de suprafață este responsabil și aici a intervenit analogia fotoelectrică.”

După cum a explicat Albert Einstein în 1905, efectul fotoelectric are loc atunci când lumina care strălucește asupra unui material conține suficientă energie (cuantificată) pentru a ejecta un electron din material. Prin  analogie și pe baza înțelegerii sale a ecuațiilor lui Maxwell și a naturii polare a moleculelor de apă, Chen a raționalizat că impulsul din spatele observațiilor echipei sale ar putea implica o forță cvadrupol care acționează asupra unui dipol permanent la interfața aer-apă.

Deși teoria lui Chen era încă în stadiul de „înclinare a mâinii”, ea i-a ghidat totuși pe cercetătorii MIT în reproiectarea experimentelor lor. Succesul a venit atunci când au reușit să demonstreze că, deși nici apa pură, nici hidrogelurile pe care le-au studiat nu absorb lumina vizibilă, hidrogelurile parțial umede o fac.

Experimentele din 2019 explicate

„Experimentele ulterioare privind evaporarea dintr-un hidrogel PVA pur, un hidrogel cu absorbanți negri și un hidrogel curat acoperit pe hârtie neagră de carbon au fost verificate”, spune Chen. „Cu ideea că lumina vizibilă poate desprinde grupurile moleculare de apă, am putut, de asemenea, să explicăm experimentele din 2019.”

În procesele fotomoleculare, un foton desprinde un grup molecular de apă de la interfața apă-aer. În comparație cu evaporarea termică, care evaporă moleculele de apă una câte una și, prin urmare, are nevoie de energie pentru a rupe legăturile dintre moleculele de apă, evaporarea fotomoleculară este astfel mai eficientă la evaporare decât căldura singură.

Picăturile sară unele de altele în noul efect triplu Leidenfrost

Chen crede că acest nou mecanism, în care el și colegii săi îl descriu PNAS, ar putea fi în joc în viața noastră de zi cu zi. „Ar putea fi important, de exemplu, pentru înțelegerea ciclului apei Pământului, a încălzirii globale și a creșterii plantelor”, spune el. „Descoperirea ar putea duce, de asemenea, la noi aplicații de inginerie: am început să analizăm desalinizarea și tratarea apelor uzate, dar uscarea ar putea fi un alt domeniu în care acest mecanism ar putea fi exploatat.” Deoarece uscarea consumă aproximativ 20% din energia utilizată în sectoarele industriale – o sumă pe care Chen o numește „uimitoare” – o creștere a eficienței energetice ar putea avea un impact semnificativ.

Privind cu nerăbdare, cercetătorii spun că ar dori să susțină dovezile în favoarea mecanismului lor propus și să înceapă să cuantifice efectul. „Am făcut o mulțime de experimente pe interfețe unice apă-aer în acest scop și am efectuat, de asemenea, experimente cu nori pentru a arăta că acest mecanism ar putea exista și în ciclul apei atmosferice”, dezvăluie Chen. „Efectul ar putea exista în alte materiale în afară de hidrogeluri și sperăm că munca noastră va atrage atenția altor cercetători care vor dori să-l studieze în continuare.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/