Ljus förångar vatten utan att värma det – Physics World

Ljus förångar vatten utan att värma det – Physics World

Tidsstämpel: 5 januari 2024 7:00

Konstnärs illustration av en vattenmolekyl
Fotomolekylär effekt: Vid gränssnittet vatten-luft kan ljus under vissa förhållanden inducera avdunstning utan behov av värme, enligt en ny studie av forskare vid MIT. (Med tillstånd: Shutterstock/Valenty)

Under vissa förhållanden kan ljus få vatten att avdunsta direkt, utan att värma det först. Processen fungerar genom att klyva vattenkluster från vatten-luft-gränssnittet, och forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA har kallat den för den "fotomolekylära effekten" i analogi med den välkända fotoelektriska effekten.

"Den konventionella visdomen är att förångning kräver värme, men vårt arbete visar att det finns en annan förångningsmekanism", förklarar MIT nanoteknolog och maskiningenjör Gäng Chen, som ledde forskningen. Chen tillägger att den nya effekten kan vara effektivare än värme och därför kan vara användbar i solavsaltningssystem och andra tekniker som använder ljus för att förånga vatten.

En oväntad vändning

Chen och kollegor har studerat avdunstning på grund av interaktioner mellan solljus och materialytor sedan 2014. Eftersom vatten inte på egen hand absorberar mycket synligt ljus, involverade deras tidiga studier att sprida ett svart, poröst, ljusabsorberande material i sin behållare med vatten för att underlätta omvandlingen av solljus till värme.

"Vi hade antagit att det var en termisk avdunstning: solljus absorberas och omvandlas till värme, som sedan förångar vatten," säger Chen.

Saker och ting tog dock en oväntad vändning under 2018 när ett separat team av forskare ledd av Guihua Yu vid University of Texas at Austin, USA, upprepade detta experiment med en svart hydrogel (ett material som håller vatten). De fann att materialets termiska förångningshastighet var dubbelt så snabb som den borde ha varit, med tanke på den totala mängden värmeenergi som provet fick och förutsatt att den etablerade mekanismen var den enda som fungerade.

2019 frågade Chen en ny postdoktor i sin grupp, Yaodong Tu, för att upprepa Yus experiment. Först kämpade MIT-forskarna med att göra arbetsprover. Så småningom, med hjälp av medlemmar i Yus grupp, lyckades de bekräfta UT Austin-teamets resultat. De var dock inte övertygade av lagets föreslagna förklaring, som var att vatten i den svarta hydrogelen kan ha en mycket lägre latent värme än vanligt vatten.

"Jag misstänkte att det fanns fotoneffekter på spel, så vi använde lysdioder (LED) för att studera hur ljusets våglängd som användes för att belysa proverna påverkade hastigheten med vilken vattnet avdunstade", säger Chen. "Vi observerade verkligen ett våglängdsberoende och konstiga temperaturfördelningar i luft som innebär vissa fotoneffekter, men vi kunde inte komma med en rimlig fysisk bild för att förklara dessa resultat."

En användbar analogi

MIT-forskarna ägnade ett och ett halvt år åt att studera möjligheten till latent värmereduktion, men deras experiment gav negativa resultat. Längs vägen fick de dock veta att några andra forskargrupper också rapporterade supertermisk avdunstning med olika material, inklusive oorganiska.

"I mitten av 2021 insåg jag att det enda som var gemensamt mellan alla dessa experiment var den ökade ytan mellan vatten- och luftgränsytan", berättar Chen Fysikvärlden. "Jag frågade mig därför om en yteffekt var ansvarig och det var här den fotoelektriska analogin kom in."

Som Albert Einstein förklarade 1905, uppstår den fotoelektriska effekten när ljus som lyser på ett material innehåller tillräckligt med (kvantiserad) energi för att stöta ut en elektron från materialet. I analogi, och utifrån sin förståelse av Maxwells ekvationer och vattenmolekylernas polära natur, rationaliserade Chen att drivkraften bakom hans teams observationer kan involvera en fyrpolskraft som verkar på en permanent dipol vid luft-vattengränsytan.

Även om Chens teori fortfarande var på "handviftande"-stadiet, vägledde den ändå MIT-forskarna i att omforma sina experiment. Framgången kom när de kunde visa att medan varken rent vatten eller hydrogelerna de studerade absorberar synligt ljus, gör delvis fuktade hydrogeler det.

Experimenten från 2019 förklaras

"Efterföljande experiment på avdunstning från en ren PVA-hydrogel, en hydrogel med svarta absorbenter och en ren hydrogel belagd på svart kolpapper var alla utcheckade", säger Chen. "Med tanken att synligt ljus kan klyva bort vattenmolekylära kluster kunde vi också förklara 2019 års experiment."

I fotomolekylära processer klyver en foton bort ett vattenmolekylärt kluster från gränsytan mellan vatten och luft. Jämfört med termisk avdunstning, som förångar vattenmolekyler en i taget, och därför behöver energi för att bryta bindningarna mellan vattenmolekyler, är fotomolekylär avdunstning alltså effektivare att avdunsta än enbart värme.

Chen tror på denna nya mekanism, som han och hans kollegor beskriver i PNAS, kan vara med i vårt dagliga liv. "Det kan till exempel vara viktigt för att förstå jordens vattenkretslopp, global uppvärmning och växttillväxt", säger han. "Upptäckten kan också leda till nya tekniska tillämpningar: vi har börjat titta på avsaltning och rening av avloppsvatten, men torkning kan vara ett annat område där denna mekanism kan utnyttjas." Eftersom torkning förbrukar cirka 20 % av energin som används i industrisektorer – en mängd som Chen kallar ”häpnadsväckande” – kan en ökning av energieffektiviteten ha en betydande inverkan.

Ser fram emot säger forskarna att de skulle vilja stärka bevisen till förmån för deras föreslagna mekanism och börja kvantifiera effekten. "Vi har gjort massor av experiment på enstaka vatten-luft-gränssnitt för detta ändamål och även utfört molnexperiment för att visa att den här mekanismen också kan existera i atmosfärens vattencykel," avslöjar Chen. "Effekten kan mycket väl finnas i andra material förutom hydrogeler och vi hoppas att vårt arbete kommer att dra till sig uppmärksamhet från andra forskare som kommer att vilja studera det ytterligare."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden