Свет испаряет воду, не нагревая ее – Мир физики

При определенных условиях свет может вызвать прямое испарение воды без предварительного нагрева. Этот процесс основан на отщеплении кластеров воды от границы вода-воздух, и исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в США назвали его «фотомолекулярным эффектом» по аналогии с хорошо известным фотоэлектрическим эффектом.

«Распространено мнение, что для испарения требуется тепло, но наша работа показывает, что существует другой механизм испарения», — объясняет нанотехнолог и инженер-механик Массачусетского технологического института. Ган Чен, который руководил исследованием. Чен добавляет, что новый эффект может быть более эффективным, чем тепло, и поэтому может быть полезен в солнечных системах опреснения и других технологиях, использующих свет для испарения воды.

Неожиданный поворот

Чен и его коллеги изучают испарение в результате взаимодействия солнечного света с поверхностями материала с 2014 года. Поскольку вода сама по себе не поглощает много видимого света, их ранние исследования включали рассеивание черного пористого светопоглощающего материала в контейнере с водой. вода, способствующая преобразованию солнечного света в тепло.

«Мы предполагали, что это процесс термического испарения: солнечный свет поглощается и преобразуется в тепло, которое впоследствии испаряет воду», — говорит Чен.

Однако в 2018 году дело приняло неожиданный оборот, когда отдельная группа исследователей во главе с Гуйхуа Ю на Техасский университет в Остине, США, повторили этот эксперимент с черным гидрогелем (материалом, удерживающим воду). Они обнаружили, что скорость термического испарения материала была в два раза выше, чем должна была быть, учитывая общее количество тепловой энергии, полученной образцом, и предполагая, что установленный механизм был единственным действующим.

В 2019 году Чен спросил нового постдокторанта в своей группе: Яодонг Ту, чтобы повторить эксперименты Ю. Поначалу исследователи Массачусетского технологического института изо всех сил пытались создать рабочие образцы. В конце концов, с помощью членов группы Ю, им удалось подтвердить результаты команды UT в Остине. Однако их не убедило предложенное командой объяснение, согласно которому вода в черном гидрогеле может иметь гораздо меньшую скрытую теплоту, чем обычная вода.

«Я подозревал, что здесь задействованы фотонные эффекты, поэтому мы использовали светоизлучающие диоды (LED), чтобы изучить, как длина волны света, используемого для освещения образцов, влияет на скорость испарения воды», — говорит Чен. «Мы действительно наблюдали зависимость от длины волны и странные распределения температуры в воздухе, которые подразумевают некоторые фотонные эффекты, но мы не смогли придумать разумную физическую картину, объясняющую эти результаты».

Полезная аналогия

Исследователи Массачусетского технологического института потратили полтора года на изучение возможности снижения скрытого тепла, но их эксперименты дали отрицательные результаты. Однако попутно они узнали, что несколько других исследовательских групп также сообщали о сверхтепловом испарении различных материалов, в том числе неорганических.

«В середине 2021 года я понял, что единственное, что общего между всеми этими экспериментами, — это увеличенная площадь поверхности между поверхностью раздела воды и воздуха», — рассказывает Чен. Мир физики. «Поэтому я спросил себя, виноват ли в этом поверхностный эффект, и именно здесь пришла на помощь фотоэлектрическая аналогия».

Как объяснил Альберт Эйнштейн в 1905 году, фотоэлектрический эффект возникает, когда свет, падающий на материал, содержит достаточно (квантованной) энергии, чтобы выбить электрон из материала. По аналогии и опираясь на свое понимание уравнений Максвелла и полярной природы молекул воды, Чен пришел к выводу, что стимулом для наблюдений его команды может быть квадрупольная сила, действующая на постоянный диполь на границе раздела воздух-вода.

Хотя теория Чена все еще находилась на стадии «размахивания руками», она, тем не менее, послужила основой для исследователей Массачусетского технологического института при перепроектировании своих экспериментов. Успех пришел, когда они смогли показать, что, хотя ни чистая вода, ни изученные ими гидрогели не поглощают видимый свет, частично смоченные гидрогели поглощают его.

Объяснение экспериментов 2019 года

«Последующие эксперименты по испарению чистого гидрогеля ПВА, гидрогеля с черными поглотителями и чистого гидрогеля, покрытого черной копировальной бумагой, подтвердили свою эффективность», — говорит Чен. «Благодаря идее о том, что видимый свет может расщеплять молекулярные кластеры воды, мы также смогли объяснить эксперименты 2019 года».

В фотомолекулярных процессах фотон отщепляет молекулярный кластер воды от границы раздела вода-воздух. По сравнению с термическим испарением, при котором молекулы воды испаряются одна за другой и, следовательно, требуется энергия для разрыва связей между молекулами воды, фотомолекулярное испарение, таким образом, более эффективно при испарении, чем просто тепло.

Капли отскакивают друг от друга в новом тройном эффекте Лейденфроста

Чен считает, что этот новый механизм, который он и его коллеги описывают в PNAS, могут играть роль в нашей повседневной жизни. «Это может быть важно, например, для понимания водного цикла Земли, глобального потепления и роста растений», — говорит он. «Это открытие может также привести к новым инженерным применениям: мы начали изучать опреснение и очистку сточных вод, но сушка может стать еще одной областью, в которой этот механизм может быть использован». Поскольку сушка потребляет около 20% энергии, используемой в промышленных секторах – цифра, которую Чен называет «ошеломляющей», – повышение энергоэффективности может иметь значительное влияние.

Заглядывая в будущее, исследователи говорят, что они хотели бы подкрепить доказательства в пользу предложенного ими механизма и начать количественную оценку эффекта. «С этой целью мы проводим множество экспериментов на отдельных границах раздела вода-воздух, а также проводим эксперименты с облаками, чтобы показать, что этот механизм также может существовать в круговороте воды в атмосфере», — рассказывает Чен. «Эффект вполне может существовать и в других материалах, помимо гидрогелей, и мы надеемся, что наша работа привлечет внимание других исследователей, которые захотят изучить ее дальше».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/