Недавно обнаруженный процесс может объяснить множество природных явлений и позволить использовать новые подходы к опреснению воды.

Испарение происходит вокруг нас постоянно — от пота, охлаждающего наше тело, до росы, сгорающей под утренним солнцем. Однако в понимании этого вездесущего процесса науке, возможно, все это время не хватало какого-то элемента.

В последние годы некоторые исследователи были озадачены тем, что в их экспериментах вода, находящаяся в губкообразном материале, известном как гидрогель, испарялась с большей скоростью, чем можно было объяснить количеством тепла, или тепловой энергии, которое получала вода. Причем превышение было значительным — в два раза, а то и в три и более раз больше теоретически возможной максимальной скорости.

После проведения ряда новых экспериментов и моделирования, а также повторного изучения некоторых результатов, полученных различными группами, утверждавшими, что они превысили тепловой предел, группа исследователей из Массачусетского технологического института пришла к поразительному выводу: При определенных условиях на границе раздела воды и воздуха свет может непосредственно вызывать испарение без использования тепла, причем даже более эффективно, чем тепло. В этих экспериментах вода удерживалась в гидрогелевом материале, но исследователи предполагают, что это явление может происходить и в других условиях.

Результаты исследования опубликованы на этой неделе в статье в журнале PNAS, подготовленной постдоком MIT Яодонгом Ту, профессором машиностроения Гангом Ченом и четырьмя другими учёными.

По мнению исследователей, это явление может играть определенную роль в формировании и эволюции туманов и облаков, а значит, его важно учитывать в климатических моделях для повышения их точности. Кроме того, оно может играть важную роль во многих промышленных процессах, таких как опреснение воды с помощью солнечных батарей, что, возможно, позволит отказаться от преобразования солнечного света в тепло.

Новые результаты оказались неожиданными, поскольку вода сама по себе не поглощает свет в сколько-нибудь значительной степени. Именно поэтому сквозь многометровый слой чистой воды можно четко видеть поверхность под водой. Поэтому, когда группа исследователей начала изучать процесс солнечного испарения для опреснения воды, они сначала поместили в контейнер с водой частицы черного материала, поглощающего свет, чтобы помочь преобразовать солнечный свет в тепло.

Затем они познакомились с работой другой группы, которая добилась скорости испарения, вдвое превышающей тепловой предел — максимально возможное количество испарения, которое может произойти при данном подводе тепла, исходя из основных физических принципов, таких как сохранение энергии. Именно в этих экспериментах вода была связана в гидрогель.

Хотя поначалу Чен и Ту были настроены скептически, они начали свои собственные эксперименты с гидрогелями, в том числе с кусочком материала, полученного от другой группы. «Мы испытали его на нашем солнечном симуляторе и он сработал», — говорит Чен, подтверждая необычно высокую скорость испарения. «Так что теперь мы им поверили». Затем Чен и Ту начали изготавливать и испытывать собственные гидрогели.

Они начали подозревать, что избыточное испарение вызывается самим светом — фотоны света фактически сбивают пучки молекул воды с поверхности воды. Такой эффект может происходить только в пограничном слое между водой и воздухом, на поверхности гидрогелевого материала, а также, возможно, на поверхности моря или на поверхности капель в облаках или тумане.

В лаборатории исследователи наблюдали за поверхностью гидрогеля — матрицы, похожей на желе, состоящей в основном из воды, связанной губчатой решеткой тонких мембран. Они измеряли ее реакцию на имитацию солнечного света с точно контролируемой длиной волны.

Исследователи подвергали поверхность воды последовательному воздействию света разных цветов и измеряли скорость испарения. Для этого контейнер с гидрогелем, наполненным водой, помещали на весы и непосредственно измеряли количество массы, потерянной при испарении, а также следили за температурой над поверхностью гидрогеля.

Осветительные приборы были экранированы для предотвращения выделения дополнительного тепла.

Исследователи обнаружили, что эффект зависит от цвета и достигает максимума при определенной длине волны зеленого света. Такая зависимость от цвета не имеет отношения к теплу, что подтверждает идею о том, что именно свет является причиной испарения, по крайней мере, частично.

Анимация показывает испарение белого конденсата на стекле под зёленым светом.


Белая конденсация на стекле — это испарение воды из гидрогеля под действием зеленого света без нагревания.

Изображение предоставлено исследователями. Поскольку в оригинале это анимация — см. оригинал изображения.

Исследователи попытались повторить наблюдаемую скорость испарения с помощью той же установки, но с использованием электричества для нагрева материала, а не света. Несмотря на то, что тепловое воздействие было таким же, как и в других испытаниях, количество испарившейся воды не превышало теплового предела. Однако это произошло, когда был включен имитатор солнечного света, что подтверждает, что причиной дополнительного испарения является свет.

Хотя вода сама по себе не очень хорошо поглощает свет, как и гидрогелевый материал, но когда они соединяются, то становятся сильными поглотителями, говорит Чен. Это позволяет материалу эффективно использовать энергию солнечных фотонов и превышать тепловой предел, причем для поглощения не требуется никаких тёмных красителей.

Обнаружив этот эффект, который они назвали фотомолекулярным эффектом, исследователи теперь работают над тем, как применить его к реальным потребностям.

Они получили грант от Лаборатории водных и пищевых систем Массачусетского технологического института имени Абдула Латифа Джамиля на изучение использования этого явления для повышения эффективности опреснительных систем, работающих на солнечной энергии, а также грант Бозе на изучение влияния этого явления на моделирование изменения климата.

Ту объясняет, что в стандартных процессах опреснения воды «обычно выделяют два этапа: Сначала мы испаряем воду, превращая ее в пар, а затем нам необходимо сконденсировать пар, чтобы превратить его в пресную воду». По его словам, благодаря этому открытию «мы можем добиться высокой эффективности на стадии испарения». Этот процесс также может найти применение в процессах, требующих сушки материала.

По словам Чена, в принципе, он считает возможным увеличить предельное количество воды, получаемой при солнечном опреснении, которое в настоящее время составляет 1,5 кг на квадратный метр, в три-четыре раза, используя этот подход, основанный на использовании света. «Потенциально это может привести к созданию дешевых опреснителей», — говорит он.

Ту добавляет, что это явление можно также использовать в процессах испарительного охлаждения, применяя фазовый переход для создания высокоэффективной системы солнечного охлаждения.

В то же время исследователи тесно сотрудничают с другими группами, которые пытаются повторить полученные результаты, надеясь преодолеть скептицизм, с которым были встречены неожиданные результаты и выдвинутые для их объяснения гипотезы.

В состав исследовательской группы также входили Цзявэй Чжоу, Шаотин Линь, Мохаммед Альшрах и Сюаньхэ Чжао, все с факультета машиностроения Массачусетского технологического института.


Источник: news.mit.edu