Işık suyu ısıtmadan buharlaştırır – Fizik Dünyası

Belirli koşullar altında ışık, suyun ısıtılmadan doğrudan buharlaşmasına neden olabilir. Süreç, su-hava arayüzünden su kümelerinin ayrılmasıyla çalışıyor ve ABD'deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki (MIT) araştırmacılar, iyi bilinen fotoelektrik etkiye benzetilerek buna "fotomoleküler etki" adını verdiler.

MIT nanoteknoloji uzmanı ve makine mühendisi şöyle açıklıyor: "Geleneksel görüş, buharlaşmanın ısı gerektirdiği yönünde, ancak çalışmalarımız başka bir buharlaşma mekanizmasının daha var olduğunu gösteriyor." Çete ChenAraştırmayı yürüten kişi. Chen, yeni etkinin ısıdan daha verimli olabileceğini ve bu nedenle güneş enerjisiyle tuzdan arındırma sistemlerinde ve suyu buharlaştırmak için ışık kullanan diğer teknolojilerde faydalı olabileceğini ekliyor.

Beklenmedik bir dönüş

Chen ve meslektaşları 2014'ten bu yana güneş ışığı ile malzeme yüzeyleri arasındaki etkileşimlerden kaynaklanan buharlaşma üzerinde çalışıyorlar. Su tek başına görünür ışığın çoğunu absorbe etmediğinden, ilk çalışmaları siyah, gözenekli, ışık emici bir malzemenin kaplarında dağıtılmasını içeriyordu. Güneş ışığının ısıya dönüşmesine yardımcı olmak için su.

Chen, "Bunun termal bir buharlaşma süreci olduğunu varsaymıştık: güneş ışığı emiliyor ve ısıya dönüşüyor, bu da daha sonra suyu buharlaştırıyor" diyor.

Ancak 2018'de, liderliğindeki ayrı bir araştırmacı ekibinin ortaya çıkmasıyla işler beklenmedik bir hal aldı. Guihua Yu at Austin Texas Üniversitesi, ABD, bu deneyi siyah bir hidrojel (su tutan bir malzeme) ile tekrarladı. Numunenin aldığı toplam ısı enerjisi miktarı göz önüne alındığında ve kurulan mekanizmanın çalışan tek mekanizma olduğu varsayıldığında, malzemenin termal buharlaşma oranının olması gerekenden iki kat daha hızlı olduğunu buldular.

Chen, 2019'da grubundaki yeni bir doktora sonrası araştırmacıya şunları sordu: Yaodong TuYu'nun deneylerini tekrarlamak için. İlk başta MIT araştırmacıları çalışma örnekleri oluşturmakta zorlandılar. Sonunda Yu'nun grubu üyelerinin yardımıyla UT Austin ekibinin sonuçlarını doğrulamayı başardılar. Ancak ekibin önerdiği, siyah hidrojeldeki suyun normal sudan çok daha düşük gizli ısıya sahip olabileceği yönündeki açıklaması ikna olmadı.

Chen, "Foton etkilerinin söz konusu olduğundan şüphelendim, bu nedenle numuneleri aydınlatmak için kullanılan ışığın dalga boyunun suyun buharlaşma hızını nasıl etkilediğini incelemek için ışık yayan diyotlar (LED'ler) kullandık" diyor. "Gerçekten de havada bazı foton etkilerine işaret eden bir dalga boyu bağımlılığı ve tuhaf sıcaklık dağılımları gözlemledik, ancak bu sonuçları açıklayacak makul bir fiziksel tablo ortaya çıkaramadık."

Yararlı bir benzetme

MIT araştırmacıları gizli ısının azaltılması olasılığını incelemek için bir buçuk yıl harcadılar, ancak deneyleri olumsuz sonuçlar verdi. Ancak bu arada, diğer birkaç araştırma grubunun da inorganik olanlar da dahil olmak üzere farklı malzemelerle süper termal buharlaşma rapor ettiğini öğrendiler.

Chen, "2021'in ortalarında, tüm bu deneyler arasındaki tek ortak noktanın, su ve hava arayüzü arasındaki artan yüzey alanı olduğunu fark ettim" diyor. Fizik dünyası. "Bu nedenle kendime bir yüzey etkisinin sorumlu olup olmadığını sordum ve fotoelektrik analojinin devreye girdiği yer burası."

Albert Einstein'ın 1905'te açıkladığı gibi, fotoelektrik etki, bir malzeme üzerinde parlayan ışığın, malzemeden bir elektronu çıkarmaya yetecek kadar (kuantumlanmış) enerji içermesi durumunda ortaya çıkar. Chen, benzetme yoluyla ve Maxwell denklemleri ile su moleküllerinin kutupsal doğası hakkındaki anlayışından yararlanarak, ekibinin gözlemlerinin ardındaki itici gücün, hava-su arayüzündeki kalıcı bir dipol üzerinde etkili olan dört kutuplu bir kuvvet içerebileceğini rasyonelleştirdi.

Chen'in teorisi hâlâ "el sallama" aşamasında olmasına rağmen yine de MIT araştırmacılarına deneylerini yeniden tasarlama konusunda yol gösterdi. Başarı, ne saf suyun ne de üzerinde çalıştıkları hidrojellerin görünür ışığı absorbe ettiğini ancak kısmen ıslatılmış hidrojellerin bunu yaptığını gösterebildikleri zaman geldi.

2019 deneyleri açıklandı

Chen, "Saf bir PVA hidrojeli, siyah emicili bir hidrojel ve siyah karbon kağıdı üzerine kaplanmış temiz bir hidrojelden buharlaşmaya ilişkin sonraki deneylerin tümü kontrol edildi" diyor. "Görünür ışığın sudaki moleküler kümeleri parçalayabileceği fikriyle 2019 deneylerini de açıklayabildik."

Fotomoleküler işlemlerde, bir foton, su-hava arayüzünden bir su molekülü kümesini ayırır. Su moleküllerini birer birer buharlaştıran ve dolayısıyla su molekülleri arasındaki bağları kırmak için enerjiye ihtiyaç duyan termal buharlaşmayla karşılaştırıldığında, fotomoleküler buharlaşma buharlaşmada tek başına ısıya göre daha verimlidir.

Damlacıklar yeni üçlü Leidenfrost efektiyle birbirlerinden sekiyor

Chen, kendisinin ve meslektaşlarının açıkladığı bu yeni mekanizmaya inanıyor. PNAS, günlük hayatımızda oyunda olabilir. "Örneğin, Dünya'nın su döngüsünü, küresel ısınmayı ve bitki büyümesini anlamak açısından önemli olabilir" diyor. "Keşif aynı zamanda yeni mühendislik uygulamalarına da yol açabilir: Tuzdan arındırma ve atık su arıtımını araştırmaya başladık ancak kurutma, bu mekanizmanın kullanılabileceği başka bir alan olabilir." Kurutma, endüstriyel sektörlerde kullanılan enerjinin yaklaşık %20'sini (Chen'in "şaşırtıcı" olarak adlandırdığı bir miktar) tükettiğinden, enerji verimliliğindeki artışın önemli bir etkisi olabilir.

İleriye dönük olarak araştırmacılar, önerdikleri mekanizmanın lehine kanıtları desteklemek ve etkiyi ölçmeye başlamak istediklerini söylüyorlar. Chen, "Bu amaçla tek su-hava arayüzleri üzerinde çok sayıda deney yapıyoruz ve ayrıca bu mekanizmanın atmosferik su döngüsünde de mevcut olabileceğini göstermek için bulut deneyleri gerçekleştiriyoruz" diye açıklıyor. "Etki, hidrojellerin yanı sıra diğer materyallerde de mevcut olabilir ve çalışmamızın, onu daha fazla incelemek isteyen diğer araştırmacıların dikkatini çekeceğini umuyoruz."

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/