Світло випаровує воду, не нагріваючи її – Physics World

За певних умов світло може викликати пряме випаровування води без її попереднього нагрівання. Цей процес відбувається шляхом відщеплення кластерів води від поверхні розділу вода-повітря, і дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) у США назвали його «фотомолекулярним ефектом» за аналогією з добре відомим фотоелектричним ефектом.

«Загальноприйнята думка полягає в тому, що для випаровування потрібне тепло, але наша робота показує, що існує інший механізм випаровування», — пояснює нанотехнолог та інженер-механік Массачусетського технологічного інституту. Ганг Чен, який керував дослідженнями. Чен додає, що новий ефект може бути більш ефективним, ніж тепло, і тому може бути корисним у сонячних системах опріснення води та інших технологіях, які використовують світло для випаровування води.

Неочікуваний поворот

Чен та його колеги вивчають випаровування через взаємодію між сонячним світлом і поверхнею матеріалу з 2014 року. Оскільки вода сама по собі не поглинає багато видимого світла, їхні ранні дослідження включали дисперсію чорного, пористого, світлопоглинаючого матеріалу в контейнері з вода для сприяння перетворенню сонячного світла в тепло.

«Ми припускали, що це був процес термічного випаровування: сонячне світло поглинається та перетворюється на тепло, яке згодом випаровує воду», — каже Чен.

Однак у 2018 році все прийняло несподіваний поворот, коли окрема команда дослідників під керівництвом Гуйхуа Ю в Техаський університет в Остіні, США, повторив цей експеримент із чорним гідрогелем (матеріалом, який утримує воду). Вони виявили, що швидкість термічного випаровування матеріалу була вдвічі вищою, ніж мала б бути, враховуючи загальну кількість теплової енергії, яку отримав зразок, і припускаючи, що встановлений механізм був єдиним, що працює.

У 2019 році Чен попросив нового дослідника з докторантури у своїй групі: Яодун Ту, щоб повторити досліди Ю. Спочатку дослідники MIT намагалися зробити робочі зразки. Зрештою, за допомогою членів групи Ю їм вдалося підтвердити результати команди UT Austin. Однак їх не переконало запропоноване командою пояснення, яке полягало в тому, що вода в чорному гідрогелі може мати набагато нижчу приховану теплоту, ніж звичайна вода.

«Я підозрював, що діють фотонні ефекти, тому ми використали світлодіоди (світлодіоди), щоб дослідити, як довжина хвилі світла, що використовується для освітлення зразків, впливає на швидкість випаровування води», — каже Чен. «Ми справді спостерігали залежність від довжини хвилі та дивний розподіл температури в повітрі, що вказує на деякі фотонні ефекти, але ми не змогли створити розумну фізичну картину, щоб пояснити ці результати».

Корисна аналогія

Дослідники Массачусетського технологічного інституту витратили півтора року на вивчення можливості прихованого зниження тепла, але їхні експерименти дали негативні результати. Однак по дорозі вони дізналися, що кілька інших дослідницьких груп також повідомляли про надтеплове випаровування різних матеріалів, у тому числі неорганічних.

«У середині 2021 року я зрозумів, що єдине спільне між усіма цими експериментами — це збільшення площі поверхні між водою та повітрям», — розповідає Чен. Світ фізики. «Тому я запитав себе, чи пов’язаний поверхневий ефект, і тут з’явилася фотоелектрична аналогія».

Як пояснив Альберт Ейнштейн у 1905 році, фотоелектричний ефект виникає, коли світло, що падає на матеріал, містить достатню (квантовану) енергію, щоб викинути з матеріалу електрон. За аналогією та спираючись на своє розуміння рівнянь Максвелла та полярної природи молекул води, Чен обґрунтував, що спостережень його команди поштовхом може бути квадрупольна сила, що діє на постійний диполь на межі повітря-вода.

Незважаючи на те, що теорія Чена все ще перебувала на стадії «розмахування руками», вона, тим не менш, керувала дослідниками MIT у переплануванні своїх експериментів. Успіх прийшов, коли вони змогли показати, що хоча ні чиста вода, ні гідрогелі, які вони вивчали, не поглинають видиме світло, частково змочені гідрогелі поглинають.

Пояснення експериментів 2019 року

«Подальші експерименти з випаровування з чистого гідрогелю PVA, гідрогелю з чорними поглиначами та чистого гідрогелю, покритого чорним копіювальним папером, усе перевірили», — каже Чен. «Завдяки ідеї, що видиме світло може відщеплювати молекулярні кластери води, ми також змогли пояснити експерименти 2019 року».

У фотомолекулярних процесах фотон відщеплює молекулярний кластер води від поверхні розділу вода-повітря. Порівняно з термічним випаровуванням, яке випаровує молекули води одну за одною, і, отже, потрібна енергія, щоб розірвати зв’язки між молекулами води, фотомолекулярне випаровування є більш ефективним у випаровуванні, ніж лише тепло.

Краплі відскакують одна від одної завдяки новому потрійному ефекту Лейденфроста

Чень вважає цей новий механізм, який він і його колеги описують у PNAS, можуть грати в нашому повсякденному житті. «Це може бути важливим, наприклад, для розуміння кругообігу води на Землі, глобального потепління та росту рослин», — каже він. «Це відкриття також може призвести до нових інженерних застосувань: ми почали досліджувати опріснення та очищення стічних вод, але осушення може бути ще однією сферою, в якій можна використовувати цей механізм». Оскільки на сушіння витрачається близько 20% енергії, яка використовується в промислових секторах – кількість, яку Чен називає «приголомшливою», підвищення енергоефективності може мати значний вплив.

Заглядаючи вперед, дослідники кажуть, що вони хотіли б посилити докази на користь запропонованого ними механізму та почати кількісну оцінку ефекту. «З цією метою ми проводили багато експериментів на окремих інтерфейсах вода-повітря, а також проводили хмарні експерименти, щоб показати, що цей механізм також може існувати в кругообігу води в атмосфері», — розповідає Чень. «Цей ефект цілком може існувати в інших матеріалах, окрім гідрогелів, і ми сподіваємося, що наша робота приверне увагу інших дослідників, які захочуть вивчити її далі».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/light-evaporates-water-without-heating-it/