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(noticias nanowerk) Estos son los procesos más básicos: la evaporación del agua de la superficie de los océanos y lagos, la quema de la niebla con el sol de la mañana y el secado de los estanques de sal, dejando sal sólida. La evaporación está a nuestro alrededor y los humanos la hemos estado observando y explotando desde que existimos.
Y, sin embargo, resulta que nos perdimos una gran parte del panorama desde el principio.
En una serie de experimentos meticulosos, un equipo de investigadores del MIT ha demostrado que no es sólo el calor lo que hace que el agua se evapore. La luz que incide sobre la superficie del agua, donde se encuentran el aire y el agua, puede romper las moléculas de agua y hacer que floten en el aire, provocando la evaporación en ausencia de cualquier fuente de calor.
El sorprendente nuevo descubrimiento podría tener una variedad de implicaciones importantes. Podría ayudar a explicar misteriosas mediciones sobre los efectos de la luz solar sobre las nubes a lo largo de los años, influyendo así en los cálculos de los efectos del cambio climático sobre la nubosidad y las precipitaciones. También podría abrir nuevas posibilidades para diseñar procesos industriales como la desalinización con energía solar o el secado de materiales.
Los resultados y las diferentes líneas de evidencia que respaldan la realidad del fenómeno y los detalles de cómo funciona se describen en la revista. PNAS (“Efecto fotomolecular: interacción de la luz visible con la interfaz aire-agua”), en un artículo de Carl Richard Soderberg, el profesor de ingeniería energética Gang Chen, los postdoctorados Guangxin Lv y Yaodong Tu, y el estudiante graduado James Zhang.
Los autores dicen que su estudio sugiere que el efecto debería extenderse a la naturaleza, desde las nubes hasta la niebla, pasando por las superficies de los océanos, los suelos y las plantas, y que también podría conducir a nuevas aplicaciones prácticas, entre otras cosas en la producción de energía y agua limpia.
«Creo que esto tiene muchas aplicaciones», afirma Chen. “Estamos explorando todas estas direcciones diferentes. Y, por supuesto, también afecta a la investigación básica, como el impacto de las nubes en el clima, porque las nubes son el aspecto más incierto de los modelos climáticos”.
Un fenómeno recién descubierto
El nuevo trabajo se basa en una investigación publicada el año pasado que describía este nuevo «efecto fotomolecular», pero sólo en condiciones muy específicas: en la superficie de hidrogeles especialmente preparados empapados en agua. En el nuevo estudio, los investigadores demuestran que el hidrogel no es necesario para el proceso; Ocurre en cualquier superficie de agua expuesta a la luz, ya sea una superficie plana como una masa de agua o una superficie curva como una gota de vapor de una nube.
Debido a que el efecto fue tan inesperado, el equipo trabajó para demostrar su existencia utilizando tantas líneas de evidencia diferentes como fuera posible. En este estudio, informan sobre 14 tipos diferentes de pruebas y mediciones que realizaron para demostrar que el agua realmente se evaporaba (es decir, las moléculas de agua se separaban de la superficie del agua y se lanzaban al aire) basándose únicamente en la luz. no por el calor, que durante mucho tiempo se pensó que era el único mecanismo involucrado.
Un indicador clave que pareció consistente en cuatro tipos diferentes de experimentos bajo diferentes condiciones fue que la temperatura del aire medida sobre la superficie del agua se enfrió y luego se estabilizó cuando el agua comenzó a evaporarse de un recipiente de prueba bajo luz visible, lo que indica que la energía térmica no era Fue la fuerza impulsora detrás del efecto.
Otros indicadores importantes que surgieron fueron la forma en que el efecto de evaporación variaba según el ángulo de la luz, el color exacto de la luz y su polarización. Ninguna de estas diferentes propiedades debería ocurrir porque el agua apenas absorbe luz en estas longitudes de onda y, sin embargo, los investigadores las observaron.
El efecto es más fuerte cuando la luz incide sobre la superficie del agua en un ángulo de 45 grados. También es más fuerte en cierto tipo de polarización llamada polarización magnética transversal. Y alcanza su punto máximo con la luz verde, que, curiosamente, es el color con el que el agua es más transparente y, por tanto, con menos probabilidades de interactuar.
Chen y sus co-investigadores han propuesto un mecanismo físico que puede explicar la dependencia angular y de polarización del efecto, demostrando que los fotones de luz pueden ejercer una fuerza neta sobre las moléculas de agua en la superficie del agua que es suficiente para separarlas del agua. aguas superficiales. Sin embargo, todavía no pueden explicar la dependencia del color, que según ellos requiere más estudios.
A esto lo llamaron efecto fotomolecular, basándose en el efecto fotoeléctrico descubierto por Heinrich Hertz en 1887 y finalmente explicado por Albert Einstein en 1905. Este efecto fue una de las primeras pruebas de que la luz también tiene propiedades de partículas, lo que tuvo importantes implicaciones en la física y dio lugar a una variedad de aplicaciones, incluidos los LED. Así como el efecto fotoeléctrico libera electrones de los átomos de un material cuando son impactados por un fotón de luz, el efecto fotomolecular muestra que los fotones pueden liberar moléculas enteras de una superficie líquida, dicen los investigadores.
«El hallazgo de que la evaporación es causada por la luz y no por el calor proporciona conocimientos nuevos e innovadores sobre la interacción luz-agua», afirma Xiulin Ruan, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Purdue que no participó en el estudio. “Podría ayudarnos a obtener una nueva comprensión de cómo la luz solar interactúa con las nubes, la niebla, los océanos y otras masas de agua naturales, afectando el tiempo y el clima. Tiene importantes aplicaciones prácticas potenciales, como la desalinización de agua de alto rendimiento mediante energía solar. Esta investigación pertenece al raro grupo de descubrimientos verdaderamente revolucionarios que no son ampliamente aceptados de inmediato por la comunidad, pero que tardan tiempo, a veces incluso mucho tiempo, en confirmarse”.
Resolviendo un rompecabezas en la nube
El hallazgo podría resolver un misterio de 80 años en la ciencia del clima. Las mediciones de cómo las nubes absorben la luz solar han demostrado a menudo que absorben más luz solar de lo que sugiere la física convencional. La evaporación adicional causada por este efecto puede ser responsable de la discrepancia de larga data, que es controvertida porque tales mediciones son difíciles de realizar.
«Estos experimentos se basan en datos de satélite y de vuelos», explica Chen. “Se vuela un avión por encima y por debajo de las nubes, y también hay datos basados en la temperatura del océano y el balance de radiación. Y todos concluyen que las nubes absorben más de lo que la teoría podría calcular. Sin embargo, debido a la complejidad de las nubes y las dificultades para realizar tales mediciones, los investigadores debaten si tales discrepancias son reales o no. Y lo que descubrimos sugiere que existe otro mecanismo de absorción de nubes que no se tuvo en cuenta, y ese mecanismo podría explicar las discrepancias”.
Chen dice que recientemente habló sobre el fenómeno en una conferencia de la Sociedad Estadounidense de Física, y un físico que estudia las nubes y el clima dijo que nunca había pensado en la posibilidad, que se relaciona con los cálculos de los complejos efectos que las nubes tienen sobre las nubes, podría afectar el clima. El equipo realizó experimentos con LED que brillaban en una cámara de niebla artificial y observó un calentamiento de la niebla que no debería ocurrir porque el agua no absorbe el espectro visible. «Este calentamiento puede explicarse más fácilmente por el efecto fotomolecular», afirma.
Lv dice que de las muchas líneas de evidencia, «la región plana en la distribución de temperatura del lado del aire sobre el agua caliente será la más fácil de reproducir para los humanos». Este perfil de temperatura «es una firma» que muestra claramente el efecto, dice.
Zhang añade: «Es bastante difícil explicar cómo se produce este tipo de perfil de temperatura plano sin recurrir a algún otro mecanismo» más allá de las teorías aceptadas de la evaporación térmica. «Reúne lo que mucha gente informa sobre sus dispositivos solares de desalinización», que a su vez muestran tasas de evaporación que no pueden explicarse por el aporte de calor.
El efecto puede ser significativo. En condiciones óptimas de color, ángulo y polarización, la tasa de evaporación es cuatro veces el límite térmico, según Lv.
Desde que se publicó el primer artículo, el equipo ha sido contactado por empresas que querían utilizar el efecto, dice Chen, incluso para la evaporación de jarabe y el secado de papel en una fábrica de papel. Las aplicaciones iniciales más probables serán en las áreas de plantas desaladoras solares u otros procesos de secado industriales, afirma. “El secado consume el 20 por ciento del consumo total de energía industrial”, subraya.
Debido a que el efecto es tan nuevo e inesperado, Chen dice: «Este fenómeno debería ser muy general, y nuestro experimento es en realidad sólo el comienzo». Los experimentos necesarios para detectar y cuantificar el efecto requieren mucho tiempo. “Hay muchas variables, desde entender el agua en sí hasta extenderla a otros materiales, otros líquidos e incluso sólidos”, afirma.
«Las observaciones del manuscrito sugieren un nuevo mecanismo físico que cambia fundamentalmente nuestra forma de pensar sobre la cinética de la evaporación», dice Shannon Yee, profesora asociada de ingeniería mecánica en Georgia Tech, que no participó en este trabajo. Y añade: «¿Quién hubiera pensado que todavía estábamos aprendiendo sobre algo tan común como la evaporación del agua?»
«Creo que este trabajo es muy significativo desde el punto de vista científico porque representa un nuevo mecanismo», dice la distinguida profesora Janet AW Elliott de la Universidad de Alberta, que tampoco participó en este trabajo. «También podría resultar importante en la práctica para la tecnología y nuestra comprensión de la naturaleza, ya que la evaporación del agua es omnipresente y el efecto parece dar como resultado tasas de evaporación significativamente más altas que el mecanismo térmico conocido»….Mi impresión general es que esto el trabajo es excelente. Parece haber sido llevado a cabo cuidadosamente, con muchos experimentos precisos que se apoyan entre sí”.
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