แสงระเหยน้ำโดยไม่ให้ความร้อน - โลกฟิสิกส์

แสงระเหยน้ำโดยไม่ให้ความร้อน - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 5 มกราคม 2024 7:00 น

ภาพประกอบของศิลปินเกี่ยวกับโมเลกุลของน้ำ
ผลกระทบของโฟโตโมเลกุล: ที่ส่วนต่อประสานระหว่างน้ำกับอากาศ ภายใต้เงื่อนไขบางประการ แสงสามารถทำให้เกิดการระเหยโดยไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อน ตามการศึกษาใหม่โดยนักวิจัยจาก MIT (เอื้อเฟื้อโดย: Shutterstock/Valenty)

ภายใต้เงื่อนไขบางประการ แสงอาจทำให้น้ำระเหยโดยตรงโดยไม่ต้องให้ความร้อนก่อน กระบวนการนี้ทำงานโดยการแยกกลุ่มน้ำออกจากส่วนต่อประสานระหว่างน้ำกับอากาศ และนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ในสหรัฐอเมริกาได้ขนานนามมันว่า “เอฟเฟกต์โฟโตโมเลกุล” เมื่อเปรียบเทียบกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่รู้จักกันดี

“ภูมิปัญญาดั้งเดิมคือการระเหยต้องใช้ความร้อน แต่งานของเราแสดงให้เห็นว่ามีกลไกการระเหยอีกอย่างหนึ่ง” นักนาโนเทคโนโลยีของ MIT และวิศวกรเครื่องกลอธิบาย แก๊งเฉินซึ่งเป็นผู้นำการวิจัย Chen เสริมว่าผลกระทบใหม่อาจมีประสิทธิภาพมากกว่าความร้อน และอาจมีประโยชน์ในระบบแยกเกลือออกจากแสงอาทิตย์และเทคโนโลยีอื่นๆ ที่ใช้แสงในการระเหยน้ำ

การเลี้ยวที่ไม่คาดคิด

Chen และเพื่อนร่วมงานได้ศึกษาการระเหยเนื่องจากอันตรกิริยาระหว่างแสงแดดกับพื้นผิววัตถุมาตั้งแต่ปี 2014 เนื่องจากน้ำไม่ได้ดูดซับแสงที่มองเห็นได้มากนักด้วยตัวมันเอง การศึกษาในช่วงแรกจึงเกี่ยวข้องกับการกระจายวัสดุสีดำที่มีรูพรุนและดูดซับแสงในภาชนะที่ น้ำเพื่อช่วยเปลี่ยนแสงแดดเป็นความร้อน

“เราสันนิษฐานว่าเป็นกระบวนการระเหยด้วยความร้อน แสงแดดถูกดูดซับและเปลี่ยนเป็นความร้อน ซึ่งต่อมาระเหยเป็นน้ำ” เฉินกล่าว

อย่างไรก็ตาม สิ่งต่างๆ พลิกผันอย่างไม่คาดคิดในปี 2018 เมื่อทีมนักวิจัยที่แยกออกไปนำโดย กุ้ยฮวา หยู ที่ University of Texas at Austinสหรัฐอเมริกา ได้ทำการทดลองนี้ซ้ำด้วยไฮโดรเจลสีดำ (วัสดุกักเก็บน้ำ) พวกเขาพบว่าอัตราการระเหยด้วยความร้อนของวัสดุเร็วกว่าที่ควรจะเป็นสองเท่า เมื่อพิจารณาจากปริมาณพลังงานความร้อนทั้งหมดที่ตัวอย่างได้รับ และสมมติว่ากลไกที่สร้างขึ้นนั้นเป็นกลไกเดียวที่ทำงานอยู่

ในปี 2019 Chen ถามนักวิจัยหลังปริญญาเอกคนใหม่ในกลุ่มของเขา เหยาตงตู่เพื่อทำซ้ำการทดลองของ Yu ในตอนแรก นักวิจัยของ MIT พยายามสร้างตัวอย่างการทำงาน ในที่สุด ด้วยความช่วยเหลือจากสมาชิกของกลุ่ม Yu พวกเขาก็ยืนยันผลลัพธ์ของทีม UT Austin ได้สำเร็จ อย่างไรก็ตาม พวกเขาไม่มั่นใจกับคำอธิบายที่แนะนำของทีม ซึ่งก็คือน้ำในไฮโดรเจลสีดำอาจมีความร้อนแฝงต่ำกว่าน้ำธรรมดามาก

“ฉันสงสัยว่ามีเอฟเฟกต์โฟตอนเกิดขึ้น ดังนั้นเราจึงใช้ไดโอดเปล่งแสง (LED) เพื่อศึกษาว่าความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ในการส่องสว่างตัวอย่างส่งผลต่ออัตราการระเหยของน้ำอย่างไร” เฉินกล่าว “เราสังเกตเห็นการขึ้นต่อกันของความยาวคลื่นและการกระจายของอุณหภูมิแปลกๆ ในอากาศซึ่งบ่งบอกถึงผลกระทบของโฟตอน แต่เราไม่สามารถสร้างภาพทางกายภาพที่สมเหตุสมผลมาอธิบายผลลัพธ์เหล่านี้ได้”

การเปรียบเทียบที่เป็นประโยชน์

นักวิจัยของ MIT ใช้เวลาหนึ่งปีครึ่งในการศึกษาความเป็นไปได้ของการลดความร้อนแฝง แต่การทดลองของพวกเขาให้ผลลัพธ์เชิงลบ ระหว่างทาง พวกเขาได้เรียนรู้ว่ากลุ่มวิจัยอื่นๆ บางกลุ่มรายงานการระเหยด้วยความร้อนสูงด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน รวมถึงวัสดุอนินทรีย์ด้วย

“กลางปี ​​2021 ฉันตระหนักว่าสิ่งเดียวที่เหมือนกันระหว่างการทดลองเหล่านี้คือพื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้นระหว่างส่วนต่อประสานของน้ำและอากาศ” เฉินกล่าว โลกฟิสิกส์. “ฉันจึงถามตัวเองว่าผลกระทบที่พื้นผิวมีส่วนรับผิดชอบหรือไม่ และนี่คือที่มาของการเปรียบเทียบโฟโตอิเล็กทริก”

ดังที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายไว้ในปี 1905 เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเกิดขึ้นเมื่อแสงที่ส่องบนวัสดุมีพลังงาน (เชิงปริมาณ) เพียงพอที่จะขับอิเล็กตรอนออกจากวัสดุ จากการเปรียบเทียบและอาศัยความเข้าใจในสมการของแมกซ์เวลล์และธรรมชาติเชิงขั้วของโมเลกุลของน้ำ เฉินหาเหตุผลเข้าข้างตนเองว่าแรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังการสังเกตของทีมอาจเกี่ยวข้องกับแรงสี่ขั้วที่กระทำต่อไดโพลถาวรที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศและน้ำ

แม้ว่าทฤษฎีของ Chen ยังอยู่ในช่วง "การโบกมือ" แต่ก็ยังชี้แนะนักวิจัยของ MIT ในการออกแบบการทดลองใหม่ ความสำเร็จเกิดขึ้นเมื่อพวกเขาสามารถแสดงให้เห็นว่าแม้น้ำบริสุทธิ์หรือไฮโดรเจลที่พวกเขาศึกษาจะดูดซับแสงที่มองเห็นได้ แต่ไฮโดรเจลที่เปียกบางส่วนไม่ดูดซับแสงที่มองเห็นได้

อธิบายการทดลองปี 2019

“การทดลองต่อมาเกี่ยวกับการระเหยจากไฮโดรเจล PVA บริสุทธิ์ ไฮโดรเจลที่มีตัวดูดซับสีดำ และไฮโดรเจลสะอาดที่เคลือบบนกระดาษคาร์บอนสีดำ ล้วนตรวจสอบแล้ว” เฉินกล่าว “ด้วยแนวคิดที่ว่าแสงที่มองเห็นสามารถแยกกระจุกโมเลกุลของน้ำออกจากกัน เราจึงสามารถอธิบายการทดลองในปี 2019 ได้เช่นกัน”

ในกระบวนการโฟโตโมเลกุล โฟตอนจะแยกกระจุกโมเลกุลของน้ำออกจากส่วนต่อประสานระหว่างน้ำกับอากาศ เมื่อเปรียบเทียบกับการระเหยด้วยความร้อน ซึ่งจะระเหยโมเลกุลของน้ำไปทีละตัว และดังนั้นจึงต้องใช้พลังงานเพื่อทำลายพันธะระหว่างโมเลกุลของน้ำ การระเหยของโฟโตโมเลกุลจึงมีประสิทธิภาพในการระเหยมากกว่าความร้อนเพียงอย่างเดียว

Chen เชื่อกลไกใหม่นี้ซึ่งเขาและเพื่อนร่วมงานอธิบายไว้ PNASก็สามารถนำมาเล่นในชีวิตประจำวันของเราได้ “อาจมีความสำคัญ เช่น ในการทำความเข้าใจวัฏจักรของน้ำในโลก ภาวะโลกร้อน และการเจริญเติบโตของพืช” เขากล่าว “การค้นพบนี้ยังอาจนำไปสู่การใช้งานทางวิศวกรรมใหม่ๆ เราได้เริ่มพิจารณาถึงการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลและการบำบัดน้ำเสีย แต่การอบแห้งอาจเป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่สามารถใช้ประโยชน์จากกลไกนี้ได้” เนื่องจากการอบแห้งใช้พลังงานประมาณ 20% ของที่ใช้ในภาคอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นจำนวนที่ Chen เรียกว่า “น่าตกใจ” การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ

เมื่อมองไปข้างหน้า นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขาต้องการสนับสนุนหลักฐานสนับสนุนกลไกที่เสนอไว้ และเริ่มหาปริมาณผลกระทบ “เราได้ทำการทดลองมากมายบนอินเทอร์เฟซระหว่างน้ำและอากาศเพียงจุดเดียวเพื่อจุดประสงค์นี้ และยังทำการทดลองบนคลาวด์เพื่อแสดงให้เห็นว่ากลไกนี้อาจมีอยู่ในวัฏจักรของน้ำในชั้นบรรยากาศด้วย” เฉินเปิดเผย “ผลกระทบอาจมีอยู่ในวัสดุอื่นนอกเหนือจากไฮโดรเจล และเราหวังว่างานของเราจะดึงดูดความสนใจของนักวิจัยคนอื่นๆ ที่ต้องการศึกษาเพิ่มเติม”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์