Светлината може да изпари водата без топлина

Новооткрит процес може да обясни различни природни явления и да позволи нови подходи към обезсоляването на водата.

Изпарението се случва навсякъде около нас през цялото време, от потта, охлаждаща телата ни, до росата, изгаряща на сутрешното слънце. Но разбирането на науката за този повсеместен процес може да е пропуснало част от него през цялото това време.

През последните години някои изследователи бяха озадачени да открият, че водата в техните експерименти, която се съдържаше в подобен на гъба материал, известен като хидрогел, се изпарява с по-висока скорост, отколкото може да се обясни с количеството топлина или термична енергия. , че водата получаваше. Излишъкът беше голям – двойно, дори тройно или повече от теоретичната максимална норма.

Когато водата и въздухът взаимодействат, светлината може, при определени условия, да предизвика изпарение без нужда от топлина, според проучване на MIT.

Откриване на индуцирано от светлина изпарение

След провеждане на поредица от нови експерименти и симулации и преразглеждане на някои резултати от различни групи, които твърдят, че са надхвърлили топлинната граница, екип от изследователи стигна до заключението… Масачузетски институт по технологии Той стигна до изумителен резултат: при определени условия, на границата, където водата среща въздуха, светлината може директно да предизвика изпарение без нужда от топлина и всъщност го прави по-ефективно от топлината. В тези експерименти водата е била уловена в хидрогел, но изследователите посочват, че това явление може да се случи и при други обстоятелства.

Резултатите са публикувани тази седмица в статия в С хораот постдокторантския изследовател на Масачузетския технологичен институт Яодонг Ту, професора по машинно инженерство Ган Чен и четирима други.

В лабораторията изследователите наблюдават повърхността на хидрогела, матрица, подобна на JELL-O, съставена предимно от вода, свързана с подобна на гъба мрежа от тънки филми. Тези изображения показват подготвени проби от хидрогел, където горният ред показва замразени (A) или изсушени (C, E, G) състояния, а долният ред показва „подути състояния“. Кредит: С любезното съдействие на изследователи

Това явление може да играе роля в образуването и еволюцията на мъглата и облаците и затова ще бъде важно да се включи в климатичните модели, за да се подобрят. точностИзследователите казват. Може да играе важна роля в много промишлени процеси, като слънчево обезсоляване на вода, и може да предостави алтернативи на стъпката на първо превръщане на слънчевата светлина в топлина.

Последици за изследването

Новите резултати идват като изненада, защото самата вода не абсорбира светлината в голяма степен. Ето защо можете да виждате ясно през много фута чиста вода към повърхността отдолу. И така, когато екипът за първи път започна да изследва процеса на слънчево изпарение за обезсоляване, те първо поставиха частици от черен, абсорбиращ светлина материал в купа с вода, за да помогнат за превръщането на слънчевата светлина в топлина.

След това екипът се натъкна на работата на друга група, която е постигнала двойна топлинна граница на изпарение, което е най-високото възможно количество изпарение, което може да възникне за дадена вложена топлина, въз основа на основни физични принципи като запазване на топлината. на енергия. В тези експерименти водата беше свързана с хидрогела. Въпреки че първоначално бяха скептични, Чен и Ту започнаха свои собствени експерименти с хидрогелове, включително част от материала от другата група.

„Тествахме го под слънчев симулатор и той проработи“, казва Чен, потвърждавайки необичайно високата скорост на изпарение. „Така че сега им вярваме.“ След това Чен и Ту започнаха да правят и тестват свои собствени хидрогелове.

Те започнаха да подозират, че прекомерното изпарение е причинено от самата светлина и че светлинните фотони всъщност изхвърлят снопове от водни молекули от водната повърхност. Този ефект ще възникне само в граничния слой между вода и въздух, на повърхността на хидрогелния материал и вероятно също на повърхността на морето или повърхностите на капчици в облаци или мъгла.

В лабораторията те наблюдаваха повърхността на хидрогела, подобна на JELL-O матрица, съставена предимно от вода, свързана с подобна на гъба мрежа от тънки филми. Те измерват отговорите им на симулирана слънчева светлина при точно контролирани дължини на вълните.

Бялата кондензационна струя върху стъклото е вода, изпаряваща се от хидрогела със зелена светлина, без топлина. Кредит: С любезното съдействие на изследователите

Изследователите излагат водната повърхност на различни цветове светлина последователно и измерват скоростта на изпарение. Те направиха това, като поставиха напълнен с вода контейнер с хидрогел върху кантар и директно измериха количеството загубена маса поради изпаряване, както и следяйки температурата над повърхността на хидрогела. Светлините бяха екранирани, за да се предотврати прегряването им. Изследователите установяват, че ефектът варира в зависимост от цвета и достига пикове при определена дължина на вълната на зелената светлина. Тази зависимост от цвета няма нищо общо с температурата и по този начин подкрепя идеята, че самата светлина причинява поне част от изпарението.

Изследователите се опитаха да възпроизведат наблюдаваната скорост на изпарение със същата настройка, но използвайки електричество за нагряване на материала, без светлина. Въпреки че вложената топлина беше същата като при другия тест, количеството изпарена вода никога не надвишава топлинната граница. Въпреки това, той го направи, докато симулацията на слънчева светлина работи, потвърждавайки, че светлината е причината за прекомерното изпарение.

Въпреки че самата вода не абсорбира толкова много светлина, колкото самия хидрогел, когато двете се съберат, те стават мощни абсорбери, казва Чен. Това позволява на материала ефективно да използва енергията на слънчевите фотони и да надхвърли топлинната граница, без да изисква тъмни пигменти за абсорбиране.

Потенциални приложения и текущо сътрудничество

След като откриха този ефект, който те наричат ​​фотомолекулен ефект, изследователите сега работят върху това как да го приложат към нуждите на реалния свят. Те получиха безвъзмездна помощ от лабораторията за водни и хранителни системи на MIT на Abdul Latif Jameel, за да проучат използването на феномена за подобряване на ефективността на захранваните със слънчева енергия системи за обезсоляване, както и грант от Bose за изследване на ефектите от феномена върху моделирането на изменението на климата.

Ту обяснява, че при стандартните процеси на обезсоляване „процесът на обезсоляване обикновено се състои от две стъпки: първо изпаряваме водата в пара и след това трябва да кондензираме парата, за да я втечним в прясна вода.“ С това откритие, казва той, вероятно ще „успеем да постигнем висока ефективност от страна на изпарението“. Процесът може да има приложения и в процеси, които изискват изсушаване на материала.

Чен казва, че вярва, че по принцип може да е възможно да се увеличи максималната вода, произведена чрез слънчево обезсоляване, която в момента възлиза на 1,5 килограма на квадратен метър, до три или четири пъти, като се използва този базиран на светлина подход. „Това всъщност може да доведе до евтино обезсоляване на водата“, казва той.

Ту добавя, че това явление може да се използва и в процесите на изпарително охлаждане, като се използва промяна на фазата, за да се осигури високоефективна слънчева охладителна система.

В същото време изследователите също работят в тясно сътрудничество с други групи, опитвайки се да възпроизведат резултатите, надявайки се да преодолеят скептицизма, пред който са изправени неочакваните резултати и хипотезата, която се предлага, за да ги обясни.

Справка: „Разумен фотомолекулен ефект, водещ до изпаряване на водата над термичната граница“ от Yaodong Tu, Jiawei Zhou, Xiaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah, Xuan Zhao и Zhang Chen, 30 октомври 2023 г., Сборник на Националната академия на науките.
doi: 10.1073/pnas.2312751120

Изследователският екип включва също Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohamed Al-Sharrah и Xuanhe Zhao, всички в MIT Department of Mechanical Engineering.