_ Cum se poate vaporiza lumina apă fără a fi nevoie de căldură

Este cel mai fundamental proces - evaporarea apei de pe suprafețele oceanelor și lacurilor, arderea ceții la soarele dimineții și uscarea iazurilor sărace care lasă sare solidă în spate. Evaporarea este peste tot în jurul nostru, iar oamenii au observat-o și au folosit-o atâta timp cât am existat.

Și, totuși, se pare că ne-a pierdut o parte importantă a imaginii. tot timpul.

Într-o serie de experimente extrem de precise, o echipă de cercetători de la MIT a demonstrat că căldura nu este singura care provoacă evaporarea apei. Lumina, lovind suprafața apei, acolo unde aerul și apa se întâlnesc, poate rupe moleculele de apă și le poate pluti în aer, provocând evaporarea în absența oricărei surse de căldură.

Noua descoperire uimitoare ar putea avea o amploare largă. serie de implicații semnificative. Ar putea ajuta la explicarea măsurătorilor misterioase de-a lungul anilor despre modul în care lumina soarelui afectează norii și, prin urmare, afectează calculele efectelor schimbărilor climatice asupra acoperirii norilor și precipitațiilor. De asemenea, ar putea duce la noi moduri de proiectare a proceselor industriale, cum ar fi desalinizarea cu energie solară sau uscarea materialelor.

Descoperirile și numeroasele linii de dovezi diferite care demonstrează realitatea fenomenului și detaliile despre modul în care funcționează, sunt descrise astăzi în Proceedings of the National Academy of Sciences, într-o lucrare a lui Carl Richard Soderberg, profesor de inginerie energetică Gang Chen, postdoctoranzi Guangxin Lv și Yaodong Tu, și studentul absolvent James Zhang.

Autorii spun că studiul lor sugerează că efectul ar trebui să se întâmple pe scară largă în natură – peste tot de la nori la ceață până la suprafețele oceanelor, solurilor și plantelor – și că ar putea duce, de asemenea, la noi aplicații practice, inclusiv în producția de energie și apă curată. .

„Cred că acest lucru are o mulțime de aplicații”, spune Chen. „Explorăm toate aceste direcții diferite. Și, desigur, afectează și știința de bază, cum ar fi efectele norilor asupra climei, deoarece norii sunt cel mai incert aspect al modelelor climatice.”

Noul munca se bazează pe cercetările raportate anul trecut, care au descris acest nou „efect fotomolecular”, dar numai în condiții foarte specializate: pe suprafața hidrogelurilor special preparate înmuiate cu apă. În noul studiu, cercetătorii demonstrează că hidrogelul nu este necesar pentru proces; apare la orice suprafață a apei expusă la lumină, fie că este o suprafață plană precum un corp de apă sau o suprafață curbată ca o picătură de vapori de nor.

Deoarece efectul a fost atât de neașteptat, echipa a lucrat pentru a demonstra existența sa cu cât mai multe linii de dovezi diferite. În acest studiu, ei raportează 14 tipuri diferite de teste și măsurători pe care le-au efectuat pentru a stabili că apa se evapora într-adevăr, adică moleculele de apă au fost aruncate de la suprafața apei și s-au aruncat în aer, doar din cauza luminii, nu prin căldură, care s-a presupus mult timp a fi singurul mecanism implicat.

Un indicator cheie, care a apărut în mod constant în patru tipuri diferite de experimente în condiții diferite, a fost că, pe măsură ce apa a început să se evapore dintr-un recipient de testare sub lumină vizibilă, temperatura aerului măsurată deasupra suprafeței apei s-a răcit și apoi s-a echilibrat, arătând că energia termică nu a fost forța motrice din spatele efectului.

Alți indicatori cheie care au apărut au inclus modul efectul de evaporare a variat în funcție de unghiul luminii, culoarea exactă a luminii și polarizarea acesteia. Niciuna dintre aceste caracteristici diferite nu ar trebui să se întâmple, deoarece la aceste lungimi de undă, apa absoarbe deloc lumina – și totuși cercetătorii le-au observat.

Efectul este cel mai puternic atunci când lumina lovește suprafața apei la un unghi de 45 de grade. De asemenea, este cel mai puternic cu un anumit tip de polarizare, numită polarizare magnetică transversală. Și atinge vârfurile în lumină verde – care, în mod ciudat, este culoarea pentru care apa este cea mai transparentă și, prin urmare, interacționează cel mai puțin.

Chen și colaboratorii săi au propus un mecanism fizic care poate explica unghiul și dependența de polarizare a efectului, arătând că fotonii luminii pot conferi o forță netă moleculelor de apă de la suprafața apei, care este suficientă pentru a le elibera din corpul de apă. Dar încă nu pot explica dependența de culoare, despre care ei spun că va necesita studii suplimentare.

Au numit acest efect fotomolecular, prin analogie cu efectul fotoelectric care a fost descoperit de Heinrich Hertz în 1887 și explicat în cele din urmă. de Albert Einstein în 1905. Acest efect a fost una dintre primele demonstrații că lumina are și caracteristici de particule, care au avut implicații majore în fizică și au condus la o mare varietate de aplicații, inclusiv LED-uri. Așa cum efectul fotoelectric eliberează electroni din atomii dintr-un material ca răspuns la lovirea unui foton de lumină, efectul fotomolecular arată că fotonii pot elibera molecule întregi de pe o suprafață lichidă, spun cercetătorii.

" Descoperirea evaporării cauzate de lumină în loc de căldură oferă noi cunoștințe perturbatoare despre interacțiunea lumină-apă”, spune Xiulin Ruan, profesor de inginerie mecanică la Universitatea Purdue, care nu a fost implicat în studiu.

„Este ne-ar putea ajuta să obținem o nouă înțelegere a modului în care lumina soarelui interacționează cu norii, ceața, oceanele și alte corpuri de apă naturale pentru a afecta vremea și clima grupul rar de descoperiri cu adevărat revoluționare care nu sunt acceptate pe scară largă de către comunitate imediat, dar necesită timp, uneori mult timp, pentru a fi confirmate.”

Descoperirea poate rezolva un mister vechi de 80 de ani în știința climei. Măsurătorile modului în care norii absorb lumina soarelui au arătat adesea că ei absorb mai multă lumină solară decât o dictează fizica convențională. Evaporarea suplimentară cauzată de acest efect ar putea explica discrepanța de lungă durată, care a fost subiect de dispută, deoarece astfel de măsurători sunt dificil de făcut.

„Aceste experimente se bazează pe date satelitare și pe datele de zbor”, Chen. explică. „Ei zboară cu un avion deasupra și sub nori și există și date bazate pe temperatura oceanului și balanța radiațiilor. Și toți ajung la concluzia că există mai multă absorbție de către nori decât ar putea calcula teoria. Cu toate acestea, datorită complexității norii și dificultățile de a face astfel de măsurători, cercetătorii au dezbătut dacă astfel de discrepanțe sunt reale sau nu și ceea ce am descoperit sugerează că există un alt mecanism de absorbție a norilor, care nu a fost luat în considerare, iar acest mecanism ar putea explica discrepanțele. „

Chen spune că a vorbit recent despre acest fenomen la o conferință a Societății Americane de Fizică, iar un fizician care studiază norii și clima a spus că nu s-a gândit niciodată la această posibilitate, care ar putea afecta calculele efectelor complexe ale nori asupra climei. Echipa a efectuat experimente folosind LED-uri care strălucesc pe o cameră artificială de nor și au observat încălzirea ceții, ceea ce nu trebuia să se întâmple, deoarece apa nu absoarbe în spectrul vizibil.

„O astfel de încălzire poate fi explicată. bazat pe efectul fotomolecular mai ușor”, spune el.

Lv spune că dintre numeroasele dovezi, „regiunea plată din distribuția temperaturii din partea aerului deasupra apei fierbinți va fi cea mai ușor de utilizat pentru oameni. reproduce." Acel profil de temperatură „este o semnătură” care demonstrează clar efectul, spune el.

Zhang adaugă: „Este destul de greu de explicat cum apare acest tip de profil plat de temperatură fără a invoca un alt mecanism” dincolo de teoriile acceptate ale evaporării termice. El continuă: „Leagă ceea ce o mulțime de oameni raportează în dispozitivele lor de desalinizare solară”, care arată din nou rate de evaporare care nu pot fi explicate prin aportul termic.

Efectul poate fi substanțial. În condițiile optime de culoare, unghi și polarizare, spune Lv, „rata de evaporare este de patru ori mai mare decât limita termică.”

Deja, de la publicarea primei lucrări, echipa a fost abordată de companii. care speră să valorifice efectul, spune Chen, inclusiv pentru evaporarea siropului și uscarea hârtiei într-o fabrică de hârtie. Cele mai probabile primele aplicații vor veni în domeniile sistemelor de desalinizare solară sau a altor procese de uscare industrială, spune el.

„Uscarea consumă 20% din totalul consumului de energie industrială”, subliniază el.

p>Deoarece efectul este atât de nou și neașteptat, Chen spune: „Acest fenomen ar trebui să fie foarte general, iar experimentul nostru este cu adevărat doar începutul”. Experimentele necesare pentru a demonstra și cuantifica efectul necesită foarte mult timp. „Există multe variabile, de la înțelegerea apei în sine, până la extinderea la alte materiale, alte lichide și chiar solide”, adaugă el.

„Observațiile din manuscris indică un nou mecanism fizic care ne modifică fundamental. gândindu-mă la cinetica evaporării”, spune Shannon Yee, profesor asociat de inginerie mecanică la Georgia Tech, care nu a fost asociat cu această lucrare. „Cine ar fi crezut că încă învățăm despre ceva la fel de cotidian precum evaporarea apei?”

„Cred că această lucrare este foarte semnificativă din punct de vedere științific, deoarece prezintă un nou mecanism”, spune profesorul distins Janet de la Universitatea din Alberta. A.W. Elliott, care nici nu a fost asociat cu această lucrare. „Se poate dovedi, de asemenea, practic important pentru tehnologie și înțelegerea noastră a naturii, deoarece evaporarea apei este omniprezentă, iar efectul pare să ofere rate de evaporare semnificativ mai mari decât mecanismul termic cunoscut... Impresia mea generală este că această lucrare este remarcabilă. Se pare că este făcută cu atenție, cu multe experimente precise care se sprijină unul pe celălalt.”

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre Cercetare, inovare și predare MIT.

(Fluierul)