Do odparowania wody nie potrzeba ciepła. Wystarczy samo światło

Od tysiącleci ludzie obserwowali proces parowania wody, w wyniku którego woda przekształca się z cieczy w parę. To jeden z najbardziej podstawowych procesów. Parują rzeki, jeziora i oceany – proces ten zachodzi niemal wszędzie wokół nas. Wydawać by się mogło, że parowanie, z którym mamy do czynienia codziennie, jest dobrze poznane od strony fizycznej. Jednak niedawne odkrycie dokonane przez badaczy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) podważa nasze tradycyjne rozumienie tego procesu. Okazuje się, że do odparowania wody nie potrzeba ciepła, wystarczy samo światło.

Opis oraz rezultaty prac ukazały się na łamach pisma "Proceedings of the National Academy of Sciences" (DOI: 10.1073/pnas.2320844121).

Zespół naukowców z MIT, kierowany przez profesora Gang Chena wykazał, że nie tylko ciepło powoduje parowanie wody. Światło padające na powierzchnię wody może bezpośrednio uwolnić cząsteczki wody, powodując ich odparowanie do powietrza. Efekt ten, nazwany przez badaczy efektem fotomolekularnym zachodzi niezależnie od ciepła, co podważa nasze przekonania.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Ponieważ zaobserwowany efekt był dość nieoczekiwany, naukowcy przeprowadzili aż 14 różnych eksperymentów i pomiarów, zbierając dowody parowania wywołanego światłem w różnych warunkach, by być pewnym swoich ustaleń. Kluczowym wskaźnikiem, uzyskanym w czterech różnych doświadczeniach, był pomiar temperatury powietrza nad wodą podczas parowania w świetle widzialnym. Zamiast rosnąć, temperatura ustabilizowała się, co pokazuje, że przyczyną nie była energia cieplna. Inne kluczowe wskaźniki obejmowały zmianę efektu parowania w zależności od kąta padania światła, dokładnej barwy światła i jego polaryzacji. Na przykład efekt był najsilniejszy, gdy światło o zielonej barwie padało na wodę pod kątem 45 stopni, mimo że woda w minimalnym stopniu pochłania tę długość fali (od 495 nm do 566 nm).

Autorzy twierdzą, że efekt ten powinien występować powszechnie w przyrodzie – od chmur przez mgły, po powierzchnie oceanów czy gleb i że może również prowadzić do nowych praktycznych zastosowań, w tym w produkcji energii i czystej wody.

- Myślę, że będzie to miało wiele zastosowań – mówi Chen. - Badamy różne kierunki. I oczywiście ma to również wpływ na naukę podstawową, np. wpływ chmur na klimat, ponieważ chmury są najbardziej niepewnym aspektem modeli klimatycznych - dodaje.

To zdumiewające odkrycie może mieć szeroki zakres implikacji. Może to pomóc w wyjaśnieniu dziwnych pomiarów dokonywanych na przestrzeni lat, sugerujących, że chmury pochłaniają więcej światła, niż przewidują konwencjonalne modele, tym samym wpływając na obliczenia dotyczące zmian klimatycznych. Chen sugeruje, że nowo odkryty mechanizm może odpowiadać za tę nadmierną absorpcję, potencjalnie poprawiając obliczenia klimatyczne. Może to również prowadzić do nowych sposobów projektowania procesów przemysłowych, takich jak odsalanie lub suszenie materiałów zasilane energią słoneczną.

Badania opierają się na ustaleniach sprzed roku. Naukowcy dostrzegli i opisali efekt fotomolekularny, ale tylko w bardzo specjalistycznych warunkach: na powierzchni specjalnie przygotowanych hydrożeli nasączonych wodą. W nowych pracach wykazali, że hydrożel nie jest niezbędny w tym procesie, a efekt występuje na każdej powierzchni wody wystawionej na działanie światła, niezależnie od tego, czy jest to płaska powierzchnia, jak zbiornik wodny, czy zakrzywiona powierzchnia, jak kropla pary z chmur.

Naukowcy ustalili, że efekt fotomolekularny jest najsilniejszy, gdy światło pada na powierzchnię wody pod kątem 45 stopni. Jest także najsilniejszy przy pewnym typie polaryzacji tzw. polaryzacji TM (z j. ang. transverse magnetic polarization) i osiąga szczyt w świetle zielonym.

Chen i jego współpracownicy zaproponowali mechanizm fizyczny, który może wyjaśnić zależność efektu od kąta i polaryzacji. Sugerują, że fotony światła przekazują wystarczającą siłę cząsteczkom wody na powierzchni, wypierając je z ciała ciekłego. Jednakże zależność od barwy światła pozostaje tajemnicą, która zdaniem uczonych będzie wymagała dalszych badań.

- Odkrycie parowania powodowanego przez światło, a nie ciepło, dostarcza nowej, przełomowej wiedzy na temat interakcji światła z wodą – mówi Xiulin Ruan z Purdue University, który nie był zaangażowany w badania. - Może to pomóc nam zyskać nową wiedzę na temat interakcji światła słonecznego z chmurami, mgłą, oceanami i innymi naturalnymi zbiornikami wodnymi. Ma to istotne potencjalne zastosowania praktyczne, takie jak chociażby wysokowydajne odsalanie wody napędzane energią słoneczną. Wyniki tego badania należą do nielicznej grupy prawdziwie rewolucyjnych odkryć, które nie są od razu powszechnie akceptowane przez społeczność, a ich potwierdzenie wymaga czasu, czasem długiego czasu – dodaje.

- Obserwacje wskazują na nowy mechanizm fizyczny, który zasadniczo zmienia nasze myślenie o kinetyce parowania – mówi Shannon Yee z Georgia Tech, który również nie był zaangażowany w badania. - Kto by pomyślał, że wciąż uczymy się czegoś nowego o czymś tak codziennym, jak parowanie wody? - dodaje.

Źródło: MIT, Interesting Engineering, fot. Bryce Vickmark