Ánh sáng làm nước bay hơi mà không làm nóng nó – Thế Giới Vật Lý

Ánh sáng làm nước bay hơi mà không làm nóng nó – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: ngày 5 tháng 2024 năm 7 00:XNUMX sáng

Họa sĩ minh họa phân tử nước
Theo một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại MIT, hiệu ứng quang phân tử: Ở bề mặt phân cách nước-không khí, trong những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể gây ra sự bay hơi mà không cần nhiệt. (Ảnh: Shutterstock/Valenty)

Trong những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể làm cho nước bay hơi trực tiếp mà không cần làm nóng trước. Quá trình này hoạt động bằng cách tách các cụm nước khỏi bề mặt phân cách nước-không khí, và các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mỹ đã gọi nó là “hiệu ứng quang phân tử” tương tự như hiệu ứng quang điện nổi tiếng.

Kỹ sư cơ khí và công nghệ nano của MIT giải thích: “Sự hiểu biết thông thường là sự bay hơi cần nhiệt, nhưng công việc của chúng tôi cho thấy có một cơ chế bay hơi khác tồn tại”. Cương Trần, người đứng đầu cuộc nghiên cứu. Chen cho biết thêm rằng hiệu ứng mới có thể hiệu quả hơn nhiệt và do đó có thể hữu ích trong các hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời và các công nghệ khác sử dụng ánh sáng để làm bay hơi nước.

Một ngã rẽ bất ngờ

Chen và các đồng nghiệp đã nghiên cứu sự bay hơi do tương tác giữa ánh sáng mặt trời và bề mặt vật chất kể từ năm 2014. Vì bản thân nước không hấp thụ nhiều ánh sáng khả kiến ​​nên các nghiên cứu ban đầu của họ liên quan đến việc phân tán một vật liệu màu đen, xốp, hấp thụ ánh sáng trong thùng chứa của họ. nước để hỗ trợ quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiệt.

Chen cho biết: “Chúng tôi đã cho rằng đó là một quá trình bay hơi nhiệt: ánh sáng mặt trời được hấp thụ và chuyển thành nhiệt, sau đó làm bay hơi nước”.

Tuy nhiên, mọi thứ đã có bước ngoặt bất ngờ vào năm 2018 khi một nhóm nghiên cứu riêng biệt do Guihua Yu tại Đại học Texas ở Austin, Mỹ, đã lặp lại thí nghiệm này với hydrogel đen (vật liệu giữ nước). Họ phát hiện ra rằng tốc độ bay hơi nhiệt của vật liệu nhanh gấp đôi so với mức đáng lẽ phải có, với tổng lượng năng lượng nhiệt mà mẫu nhận được và giả sử cơ chế đã được thiết lập là cơ chế duy nhất đang hoạt động.

Vào năm 2019, Chen đã hỏi một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ mới trong nhóm của mình rằng: Diệu Đông Tú, để lặp lại thí nghiệm của Yu. Lúc đầu, các nhà nghiên cứu của MIT gặp khó khăn trong việc tạo ra các mẫu hoạt động được. Cuối cùng, với sự giúp đỡ từ các thành viên trong nhóm của Yu, họ đã thành công trong việc xác nhận kết quả của nhóm UT Austin. Tuy nhiên, họ không bị thuyết phục bởi lời giải thích do nhóm nghiên cứu đưa ra, đó là nước trong hydrogel đen có thể có ẩn nhiệt thấp hơn nhiều so với nước thông thường.

Chen cho biết: “Tôi nghi ngờ rằng có các hiệu ứng photon đang diễn ra, vì vậy chúng tôi đã sử dụng điốt phát sáng (LED) để nghiên cứu xem bước sóng ánh sáng dùng để chiếu sáng các mẫu ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ nước bay hơi”. “Quả thực, chúng tôi đã quan sát thấy sự phụ thuộc bước sóng và sự phân bố nhiệt độ kỳ lạ trong không khí dẫn đến một số hiệu ứng photon, nhưng chúng tôi không thể đưa ra một bức tranh vật lý hợp lý để giải thích những kết quả này”.

Một sự tương tự hữu ích

Các nhà nghiên cứu của MIT đã dành một năm rưỡi để nghiên cứu khả năng giảm nhiệt tiềm ẩn, nhưng thí nghiệm của họ mang lại kết quả tiêu cực. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, họ biết được rằng một số nhóm nghiên cứu khác cũng báo cáo về sự bay hơi siêu nhiệt với các vật liệu khác nhau, bao gồm cả vật liệu vô cơ.

Chen nói: “Giữa năm 2021, tôi nhận ra rằng điểm chung duy nhất giữa tất cả các thí nghiệm này là diện tích bề mặt tăng lên giữa bề mặt tiếp xúc giữa nước và không khí”. Thế giới vật lý. “Do đó, tôi đã tự hỏi liệu hiệu ứng bề mặt có phải là nguyên nhân hay không và đây chính là lúc mà sự tương tự quang điện xuất hiện.”

Như Albert Einstein đã giải thích vào năm 1905, hiệu ứng quang điện xảy ra khi ánh sáng chiếu vào một vật liệu chứa đủ năng lượng (lượng tử hóa) để đẩy một electron ra khỏi vật liệu. Bằng cách tương tự, và dựa trên sự hiểu biết của ông về các phương trình Maxwell và bản chất có cực của các phân tử nước, Chen lý giải rằng động lực đằng sau các quan sát của nhóm ông có thể liên quan đến một lực tứ cực tác dụng lên một lưỡng cực vĩnh viễn ở bề mặt tiếp xúc không khí-nước.

Mặc dù lý thuyết của Chen vẫn còn ở giai đoạn “bắt tay”, nhưng nó đã hướng dẫn các nhà nghiên cứu của MIT thiết kế lại các thí nghiệm của họ. Thành công đến khi họ có thể chứng minh được rằng trong khi cả nước tinh khiết và hydrogel mà họ nghiên cứu đều không hấp thụ ánh sáng khả kiến ​​thì hydrogel ướt một phần lại làm được.

Các thí nghiệm năm 2019 đã giải thích

Chen cho biết: “Các thí nghiệm sau đó về sự bay hơi từ hydrogel PVA nguyên chất, hydrogel có chất hấp thụ màu đen và hydrogel sạch phủ trên giấy than đen đều đã được kiểm tra”. “Với ý tưởng rằng ánh sáng khả kiến ​​có thể tách rời các cụm phân tử nước, chúng tôi cũng có thể giải thích các thí nghiệm năm 2019.”

Trong các quá trình quang phân tử, một photon tách ra khỏi cụm phân tử nước khỏi bề mặt phân cách nước-không khí. So với sự bay hơi nhiệt, làm bay hơi từng phân tử nước và do đó cần năng lượng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử nước, sự bay hơi quang phân tử do đó bay hơi hiệu quả hơn so với chỉ sử dụng nhiệt.

Chen tin rằng cơ chế mới này mà ông và các đồng nghiệp mô tả trong PNAS, có thể diễn ra trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. “Ví dụ, nó có thể quan trọng trong việc tìm hiểu chu trình nước của Trái đất, sự nóng lên toàn cầu và sự phát triển của thực vật,” ông nói. “Khám phá này cũng có thể dẫn đến những ứng dụng kỹ thuật mới: chúng tôi đã bắt đầu xem xét việc khử muối và xử lý nước thải, nhưng sấy khô có thể là một lĩnh vực khác mà cơ chế này có thể được khai thác”. Bởi vì sấy tiêu thụ khoảng 20% ​​năng lượng sử dụng trong các ngành công nghiệp – một con số mà Chen gọi là “đáng kinh ngạc” – nên việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng có thể có tác động đáng kể.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu cho biết họ muốn củng cố bằng chứng ủng hộ cơ chế được đề xuất của họ và bắt đầu định lượng tác động. Chen tiết lộ: “Chúng tôi đã thực hiện rất nhiều thí nghiệm trên các bề mặt nước-không khí đơn lẻ và cũng thực hiện các thí nghiệm trên đám mây để chứng minh rằng cơ chế này cũng có thể tồn tại trong chu trình nước trong khí quyển”. “Hiệu ứng này có thể tồn tại ở các vật liệu khác ngoài hydrogel và chúng tôi hy vọng công trình của chúng tôi sẽ thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu khác, những người muốn nghiên cứu thêm về nó.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý