Svetloba izhlapi vodo, ne da bi jo segrela – Svet fizike

Svetloba izhlapi vodo, ne da bi jo segrela – Svet fizike

Časovni žig: 5. januar 2024 7

Umetnikova ilustracija vodne molekule
Fotomolekularni učinek: Na meji voda-zrak lahko svetloba pod določenimi pogoji inducira izhlapevanje brez potrebe po toploti, glede na novo študijo raziskovalcev na MIT. (Z dovoljenjem: Shutterstock/Valenty)

Pod določenimi pogoji lahko svetloba povzroči neposredno izhlapevanje vode, ne da bi jo prej segreli. Proces deluje tako, da odcepi vodne grozde od vmesnika voda-zrak, raziskovalci na Massachusetts Institute of Technology (MIT) v ZDA pa so ga poimenovali "fotomolekularni učinek" v analogiji z dobro znanim fotoelektričnim učinkom.

»Običajna modrost je, da je za izhlapevanje potrebna toplota, vendar naše delo kaže, da obstaja drug mehanizem izhlapevanja,« pojasnjuje nanotehnolog in strojni inženir z MIT Gang Chen, ki je vodila raziskavo. Chen dodaja, da je novi učinek lahko učinkovitejši od toplote in bi zato lahko bil uporaben v sistemih za sončno razsoljevanje in drugih tehnologijah, ki uporabljajo svetlobo za izhlapevanje vode.

Nepričakovan obrat

Chen in njegovi sodelavci od leta 2014 preučujejo izhlapevanje zaradi interakcij med sončno svetlobo in materialnimi površinami. Ker voda sama ne absorbira veliko vidne svetlobe, so njihove zgodnje študije vključevale razprševanje črnega, poroznega materiala, ki absorbira svetlobo, v njihovi posodi z voda za pomoč pri pretvorbi sončne svetlobe v toploto.

"Predvidevali smo, da gre za proces termičnega izhlapevanja: sončna svetloba se absorbira in pretvori v toploto, ki nato izhlapi vodo," pravi Chen.

Vendar so se stvari leta 2018 nepričakovano obrnile, ko je ločena skupina raziskovalcev pod vodstvom Guihua Yu pri Univerza v Teksasu v Austinu, ZDA, ponovil ta poskus s črnim hidrogelom (material, ki zadržuje vodo). Ugotovili so, da je bila stopnja toplotnega izhlapevanja materiala dvakrat hitrejša, kot bi morala biti glede na skupno količino toplotne energije, ki jo je prejel vzorec, in ob predpostavki, da je vzpostavljeni mehanizem edini na delu.

Leta 2019 je Chen vprašal novega podoktorskega raziskovalca v svoji skupini, Yaodong Tu, ponoviti Yujeve poskuse. Sprva so se raziskovalci MIT trudili narediti delujoče vzorce. Sčasoma jim je s pomočjo članov Yujeve skupine uspelo potrditi rezultate ekipe UT Austin. Vendar pa jih ni prepričala predlagana razlaga ekipe, ki je bila, da ima lahko voda v črnem hidrogelu veliko nižjo latentno toploto kot navadna voda.

"Sumil sem, da gre za fotonske učinke, zato smo uporabili svetleče diode (LED), da bi preučili, kako je valovna dolžina svetlobe, uporabljena za osvetlitev vzorcev, vplivala na hitrost izhlapevanja vode," pravi Chen. "Res smo opazili odvisnost od valovne dolžine in čudne porazdelitve temperature v zraku, ki nakazujejo nekatere fotonske učinke, vendar nismo mogli priti do razumne fizične slike, ki bi razložila te rezultate."

Koristna analogija

Raziskovalci MIT so leto in pol preučevali možnost zmanjšanja latentne toplote, vendar so njihovi poskusi dali negativne rezultate. Med potjo pa so izvedeli, da nekaj drugih raziskovalnih skupin prav tako poroča o super-termičnem izhlapevanju z različnimi materiali, vključno z anorganskimi.

»Sredi leta 2021 sem ugotovil, da je edina skupna stvar med vsemi temi poskusi povečana površina med vodnim in zračnim vmesnikom,« pravi Chen. Svet fizike. "Zato sem se vprašal, ali je bil odgovoren površinski učinek in tukaj je prišla fotoelektrična analogija."

Kot je pojasnil Albert Einstein leta 1905, se fotoelektrični učinek pojavi, ko svetloba, ki sveti na material, vsebuje dovolj (kvantizirane) energije, da iz materiala izvrže elektron. Po analogiji in na podlagi svojega razumevanja Maxwellovih enačb in polarne narave vodnih molekul je Chen racionaliziral, da bi spodbuda za opazovanji njegove ekipe lahko vključevala kvadrupolno silo, ki deluje na stalni dipol na meji zrak-voda.

Čeprav je bila Chenova teorija še vedno v fazi "mahanja z roko", je vseeno vodila raziskovalce MIT pri preoblikovanju njihovih eksperimentov. Uspeh je prišel, ko jim je uspelo dokazati, da medtem ko niti čista voda niti hidrogeli, ki so jih preučevali, ne absorbirajo vidne svetlobe, jo delno namočeni hidrogeli.

Razloženi poskusi iz leta 2019

"Poznejši poskusi izhlapevanja iz čistega hidrogela PVA, hidrogela s črnimi absorberji in čistega hidrogela, prevlečenega s črnim ogljikovim papirjem, so bili vsi preverjeni," pravi Chen. "Z idejo, da lahko vidna svetloba odcepi vodne molekularne skupine, smo lahko razložili tudi poskuse iz leta 2019."

V fotomolekularnih procesih foton odcepi vodno molekularno skupino od meje voda-zrak. V primerjavi s toplotnim izhlapevanjem, pri katerem se vodne molekule izhlapevajo ena za drugo in zato potrebuje energijo za pretrganje vezi med vodnimi molekulami, je fotomolekularno izhlapevanje tako učinkovitejše pri izhlapevanju kot samo toplota.

Chen verjame, da ta novi mehanizem, ki ga on in njegovi kolegi opisujejo v PNAS, se lahko igra v našem vsakdanjem življenju. »Lahko bi bilo pomembno na primer za razumevanje zemeljskega vodnega kroga, globalnega segrevanja in rasti rastlin,« pravi. "Odkritje bi lahko vodilo tudi do novih inženirskih aplikacij: začeli smo preučevati razsoljevanje in čiščenje odpadne vode, vendar bi lahko bilo sušenje še eno področje, na katerem bi lahko izkoristili ta mehanizem." Ker sušenje porabi približno 20 % energije, porabljene v industrijskih sektorjih – znesek, ki ga Chen imenuje "osupljiv", bi lahko imelo povečanje energetske učinkovitosti pomemben vpliv.

Raziskovalci pravijo, da bi radi okrepili dokaze v prid svojemu predlaganemu mehanizmu in začeli kvantificirati učinek. "V ta namen smo izvajali veliko eksperimentov na posameznih vmesnikih voda-zrak in izvajali tudi poskuse v oblaku, da bi pokazali, da ta mehanizem morda obstaja tudi v atmosferskem vodnem krogu," razkriva Chen. "Učinek bi lahko obstajal tudi v drugih materialih poleg hidrogelov in upamo, da bo naše delo pritegnilo pozornost drugih raziskovalcev, ki ga bodo želeli nadalje preučiti."

Časovni žig:

Več od Svet fizike