Un proceso recientemente identificado podría explicar una variedad de fenómenos naturales y permitir nuevos enfoques para la desalinización del agua.

La evaporación ocurre a nuestro alrededor todo el tiempo, desde el sudor que enfría nuestros cuerpos hasta el rocío que arde bajo el sol de la mañana. Pero es posible que a la comprensión científica de este proceso ubicuo le haya faltado parte de él durante todo este tiempo.

En los últimos años, algunos investigadores se han quedado perplejos al descubrir que el agua de sus experimentos, que estaba contenida en una sustancia similar a una esponja conocida como hidrogel, se estaba evaporando a un ritmo mayor de lo que podría explicarse por la cantidad de calor o calor. energía. , que el agua estaba recibiendo. El excedente fue grande: el doble, o incluso el triple, o más, de la tasa máxima teórica.

Cuando el agua y el aire interactúan, la luz puede, bajo ciertas condiciones, provocar la evaporación sin necesidad de calor, según un estudio del MIT.

Detección de evaporación inducida por la luz.

Después de realizar una serie de nuevos experimentos y simulaciones, y reexaminar algunos resultados de diferentes grupos que afirmaban haber superado el límite térmico, un equipo de investigadores concluyó… Instituto de Tecnología de Massachusetts Llegó a un resultado sorprendente: bajo ciertas condiciones, en la interfaz donde el agua se encuentra con el aire, la luz puede provocar directamente la evaporación sin necesidad de calor y, de hecho, lo hace de manera más eficiente que el calor. En estos experimentos, el agua quedó atrapada en un hidrogel, pero los investigadores señalan que este fenómeno también puede ocurrir en otras circunstancias.

Los resultados se publican esta semana en un artículo en Con personaspor el investigador postdoctoral del MIT Yaodong Tu, el profesor de ingeniería mecánica Gang Chen y otras cuatro personas.

En el laboratorio, los investigadores observaron la superficie del hidrogel, una matriz similar a gelatina compuesta principalmente de agua unida a una red de películas delgadas similar a una esponja. Estas imágenes muestran muestras de hidrogel preparadas, donde la fila superior muestra los estados congelados (A) o secos (C, E, G) y la fila inferior muestra los “estados hinchados”. Crédito: Cortesía de investigadores.

Este fenómeno puede desempeñar un papel en la formación y evolución de la niebla y las nubes, por lo que será importante incorporarlo a los modelos climáticos para mejorarlos. ExactitudDicen los investigadores. Puede desempeñar un papel importante en muchos procesos industriales, como la desalinización solar del agua, y puede proporcionar alternativas al paso de convertir primero la luz solar en calor.

Implicaciones para la investigación

Los nuevos resultados sorprenden porque el agua por sí sola no absorbe la luz en gran medida. Es por eso que puedes ver claramente a través de muchos pies de agua limpia la superficie que se encuentra debajo. Entonces, cuando el equipo comenzó a explorar el proceso de evaporación solar para la desalinización, primero colocaron partículas de un material negro que absorbe la luz en un recipiente con agua para ayudar a convertir la luz solar en calor.

Luego, el equipo se topó con el trabajo de otro grupo que había logrado una tasa de evaporación límite térmico doble, que es la mayor cantidad posible de evaporación que puede ocurrir para una determinada entrada de calor, basándose en principios físicos básicos como la conservación del calor. de energía. En estos experimentos, se unió agua al hidrogel. Aunque al principio se mostraron escépticos, Chen y Tu comenzaron sus propios experimentos con hidrogeles, incluido un trozo del material del otro grupo.

“Lo probamos en un simulador solar y funcionó”, dice Chen, confirmando la tasa de evaporación inusualmente alta. “Así que ahora les creemos”. Luego, Chen y Tu comenzaron a fabricar y probar sus propios hidrogeles.

Comenzaron a sospechar que el exceso de evaporación era causado por la propia luz y que los fotones de luz en realidad estaban expulsando haces de moléculas de agua de la superficie del agua. Este efecto sólo se produce en la capa límite entre el agua y el aire, en la superficie del material de hidrogel y posiblemente también en la superficie del mar o en la superficie de las gotas de las nubes o la niebla.

En el laboratorio, monitorearon la superficie del hidrogel, una matriz similar a gelatina compuesta principalmente de agua unida a una red de películas delgadas similar a una esponja. Midieron sus respuestas a la luz solar simulada en longitudes de onda controladas con precisión.

El chorro de condensación blanco sobre el cristal es agua que se evapora del hidrogel con luz verde, sin calor. Crédito: Cortesía de investigadores.

Los investigadores expusieron la superficie del agua a diferentes colores de luz de forma secuencial y midieron la tasa de evaporación. Lo hicieron colocando un recipiente de hidrogel lleno de agua en una báscula y midiendo directamente la cantidad de masa perdida debido a la evaporación, además de monitorear la temperatura sobre la superficie del hidrogel. Las luces estaban protegidas para evitar que se sobrecalentaran. Los investigadores descubrieron que el efecto varía según el color y alcanza su punto máximo en una determinada longitud de onda de luz verde. Esta dependencia del color no tiene nada que ver con la temperatura y, por lo tanto, respalda la idea de que es la luz misma la que causa al menos parte de la evaporación.

Los investigadores intentaron replicar la tasa de evaporación observada con la misma configuración pero usando electricidad para calentar el material, sin luz. Aunque el aporte de calor fue el mismo que en la otra prueba, la cantidad de agua evaporada nunca superó el límite térmico. Sin embargo, lo hizo mientras se ejecutaba la simulación de la luz solar, confirmando que la luz era la causa del exceso de evaporación.

Aunque el agua en sí no absorbe tanta luz como el hidrogel, cuando los dos se juntan se convierten en poderosos absorbentes, dice Chen. Esto permite que el material aproveche eficientemente la energía de los fotones solares y supere el límite térmico, sin necesidad de pigmentos oscuros para la absorción.

Aplicaciones potenciales y colaboración continua

Habiendo descubierto este efecto, al que llaman efecto fotomolecular, los investigadores ahora están trabajando en cómo aplicarlo a las necesidades del mundo real. Recibieron una subvención del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel del MIT para estudiar el uso del fenómeno para mejorar la eficiencia de los sistemas de desalinización con energía solar, y una subvención de Bose para explorar los efectos del fenómeno en la modelización del cambio climático.

Tu explica que en los procesos de desalinización estándar, “el proceso de desalinización generalmente consta de dos pasos: primero evaporamos el agua en vapor y luego necesitamos condensar el vapor para licuarlo y convertirlo en agua dulce”. Con este descubrimiento, afirma, probablemente “seremos capaces de lograr una alta eficiencia en el lado de la evaporación”. El proceso también puede tener aplicaciones en procesos que requieran secado del material.

Chen dice que cree que, en principio, podría ser posible aumentar hasta tres o cuatro veces el agua máxima producida por la desalinización solar, que actualmente es de 1,5 kilogramos por metro cuadrado, utilizando este enfoque basado en la luz. “En realidad, esto podría conducir a una desalinización del agua barata”, afirma.

Tu añade que este fenómeno también podría aprovecharse en procesos de enfriamiento por evaporación, utilizando el cambio de fase para proporcionar un sistema de enfriamiento solar altamente eficiente.

Al mismo tiempo, los investigadores también están trabajando estrechamente con otros grupos que intentan replicar los resultados, con la esperanza de superar el escepticismo que enfrentan los resultados inesperados y la hipótesis que se propone para explicarlos.

Referencia: “Efecto fotomolecular razonable que conduce a la evaporación del agua más allá del límite térmico” por Yaodong Tu, Jiawei Zhou, Xiaoting Lin, Mohamed Al-Sarrah, Xuan Zhao y Zhang Chen, 30 de octubre de 2023, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
doi: 10.1073/pnas.2312751120

El equipo de investigación también incluyó a Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohamed Al-Sarrah y Xuanhe Zhao, todos en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.