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(noticias nanowerk) La evaporación ocurre constantemente a nuestro alrededor, desde el sudor que enfría nuestro cuerpo hasta el rocío que se quema con el sol de la mañana. Pero es posible que desde el principio no se haya comprendido la comprensión científica de este proceso omnipresente.
Las tesis centrales
Investigación
En los últimos años, algunos investigadores quedaron desconcertados cuando descubrieron en sus experimentos que el agua contenida en un material similar a una esponja llamado hidrogel se evaporaba más rápido de lo que podría explicarse por la cantidad de calor o energía térmica que recibía el agua. Y el exceso fue significativo: duplicar o incluso triplicar o más la tasa máxima teórica.
Después de realizar una serie de nuevos experimentos y simulaciones y reexaminar algunos de los resultados de varios grupos que afirmaban haber excedido el límite térmico, un equipo de investigadores del MIT llegó a una sorprendente conclusión: bajo ciertas condiciones en la interfaz donde el agua cuando Se enciende la luz Cuando entra aire, puede provocar la evaporación directamente sin necesidad de calor, incluso de manera más eficiente que el calor. En estos experimentos el agua estaba contenida en un material de hidrogel, pero los investigadores sospechan que el fenómeno también podría ocurrir en otras condiciones.
Los resultados se publicarán en un artículo en PNAS (“Efecto fotomolecular plausible que provoca que la evaporación del agua supere el límite térmico”), por el postdoctorado del MIT Yaodong Tu, el profesor de ingeniería mecánica Gang Chen y otras cuatro personas.
Los investigadores afirman que el fenómeno podría desempeñar un papel en la formación y evolución de la niebla y las nubes y, por lo tanto, sería importante incorporarlo a los modelos climáticos para mejorar su precisión. Y podría desempeñar un papel importante en muchos procesos industriales, como la desalinización de agua con energía solar, permitiendo potencialmente alternativas al paso de convertir la luz solar en calor.
Los nuevos hallazgos son sorprendentes porque el agua por sí sola no absorbe luz significativa. Por eso se puede ver claramente la superficie a través de muchos metros de agua limpia. Entonces, cuando el equipo comenzó a explorar el proceso de evaporación solar para la desalinización, primero agregaron partículas de un material negro que absorbe la luz a un recipiente con agua para ayudar a convertir la luz solar en calor.
Luego, el equipo encontró el trabajo de otro grupo que había logrado una tasa de evaporación que era el doble del límite térmico, es decir, la mayor cantidad posible de evaporación que puede ocurrir para una determinada entrada de calor, basándose en principios físicos fundamentales como la conservación de Energía. En estos experimentos, el agua estaba unida a un 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 nuestro simulador solar y funcionó», confirmando la tasa de evaporación inusualmente alta, dice Chen. “Así que ahora les creímos”. Chen y Tu comenzaron entonces a fabricar y probar sus propios hidrogeles.
Comenzaron a sospechar que el exceso de evaporación era causado por la propia luz: que los fotones de luz en realidad estaban lanzando haces de moléculas de agua desde la superficie del agua. Este efecto sólo se produciría directamente en la interfaz entre el agua y el aire, en la superficie del material de hidrogel, y quizás 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 de un hidrogel, una matriz similar a gelatina compuesta principalmente de agua unida por una red de membranas delgadas similar a una esponja. Midieron sus respuestas a la luz solar simulada en longitudes de onda controladas con precisión.
Los investigadores expusieron sucesivamente la superficie del agua a diferentes colores de luz y midieron la tasa de evaporación. Para ello, colocaron un recipiente con hidrogel cargado de agua sobre una báscula y midieron directamente la pérdida de masa por evaporación y la temperatura sobre la superficie del hidrogel. Las lámparas han sido protegidas para evitar que introduzcan calor adicional. Los investigadores descubrieron que el efecto variaba según el color, alcanzando su punto máximo en una longitud de onda particular de luz verde. Esta dependencia del color no tiene nada que ver con el calor y, por lo tanto, respalda la suposición de que es la luz misma la que causa al menos parte de la evaporación.
Los investigadores intentaron duplicar la tasa de evaporación observada con la misma configuración, pero utilizaron electricidad para calentar el material en lugar de 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, esto ocurrió cuando se encendió la luz solar simulada, lo que confirmó que la luz era la causa de la evaporación adicional.
Aunque el agua en sí no absorbe mucha luz, y tampoco lo hace el material de hidrogel, los dos se convierten en poderosos absorbentes cuando se combinan, dice Chen. Esto permite que el material utilice eficientemente la energía de los fotones solares y supere el límite térmico sin requerir tintes oscuros para la absorción.
Habiendo descubierto este efecto, al que llaman efecto fotomolecular, los investigadores ahora están trabajando para aplicarlo a las necesidades del mundo real. Reciben una subvención del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel del MIT para estudiar el uso de este fenómeno para mejorar la eficiencia de los sistemas de desalinización alimentados por energía solar y una subvención de Bose para estudiar los efectos del fenómeno en la modelización del cambio climático.
Tu explica que los procesos tradicionales de desalinización «normalmente implican dos pasos: primero evaporamos el agua para convertirla en vapor, y luego tenemos que condensar el vapor para licuarlo y convertirlo en agua dulce». Con este descubrimiento, dice, «tal vez podamos hacer one “Lograr una alta eficiencia en el lado de la evaporación”. El proceso también podría usarse en procesos en los que es necesario secar un material.
Chen cree que, en principio, es posible aumentar tres o cuatro veces el límite de la cantidad de agua producida por la desalinización solar, que actualmente es de 1,5 kilogramos por metro cuadrado, utilizando este enfoque basado en la luz. «Esto podría conducir potencialmente a una desalinización de bajo coste», afirma.
Tu añade que este fenómeno también podría explotarse en procesos de enfriamiento por evaporación, utilizando el cambio de fase para proporcionar un sistema de enfriamiento solar altamente eficiente.
Mientras tanto, los investigadores también están trabajando estrechamente con otros grupos que intentan reproducir los resultados, con la esperanza de superar el escepticismo sobre los resultados inesperados y las hipótesis propuestas para explicarlos.
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