La luz puede evaporar el agua sin calor.

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

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

En los últimos años, algunos investigadores quedaron perplejos al descubrir que el agua de sus experimentos, contenida en un material similar a una esponja conocido como hidrogel, se estaba evaporando a un ritmo más rápido de lo que podría explicarse por la cantidad de calor o energía térmica. , que estaba recibiendo el agua. Y el exceso fue significativo: duplicar, o incluso triplicar o más, la tasa máxima teórica.

Según un estudio del MIT, en la interfaz entre el agua y el aire, la luz puede, en determinadas condiciones, provocar la evaporación sin necesidad de calor.

Descubrimiento de la evaporación inducida por la luz.

Tras realizar una serie de nuevos experimentos y simulaciones y reexaminar algunos de los resultados de varios grupos que afirmaban haber superado el límite térmico, un equipo de investigadores MIT Llegó a una conclusión sorprendente: bajo ciertas condiciones, en la interfaz entre el agua y el aire, la luz puede provocar directamente la evaporación sin necesidad de calor, y lo hace incluso de manera más eficiente que el calor. En estos experimentos, el agua estaba contenida en un material de hidrogel, pero los investigadores sugieren que el fenómeno también podría ocurrir en otras condiciones.

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

En el laboratorio, los investigadores monitorearon la superficie de un hidrogel, una matriz similar a la gelatina hecha principalmente de agua unida por una red esponjosa de membranas delgadas. Estas fotografías 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 los investigadores.

El fenómeno podría desempeñar un papel en la formación y evolución de nieblas y nubes, por lo que sería importante incorporarlo a los modelos climáticos para mejorar su alcance. precisión, dicen los investigadores. Y podría desempeñar un papel importante en muchos procesos industriales, como la desalinización de agua con energía solar, permitiendo quizás alternativas al paso de convertir la luz solar en calor.

Implicaciones de la investigación

Los nuevos hallazgos son una sorpresa porque el agua en sí misma no absorbe la luz de manera significativa. Por eso se puede ver claramente la superficie a través de muchos metros de agua clara. 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 lleno de 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 que duplicaba el límite térmico, o la máxima cantidad posible de evaporación que puede ocurrir para una determinada entrada de calor, basándose en principios físicos básicos como la conservación de energía. Fue en estos experimentos que se encerró agua en 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 con nuestro simulador solar y funcionó», confirmando la tasa de evaporación inusualmente alta, dice Chen. “Así que ahora lo creíamos”. Luego, Chen y Tu comenzaron a producir 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 desprendiendo haces de moléculas de agua de la superficie del agua. Este efecto sólo se produciría precisamente en la capa límite 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 la gelatina hecha principalmente de agua unida por una red esponjosa de membranas delgadas. Midieron sus respuestas a la luz solar simulada en longitudes de onda controladas con precisión.

Las bocanadas de condensación blanca sobre el cristal son agua que se evapora de un hidrogel con luz verde, sin calor. Crédito: Cortesía de los investigadores.

Los investigadores sometieron la superficie del agua a diferentes colores de luz de forma secuencial y midieron la tasa de evaporación. Lo hicieron colocando un recipiente lleno de agua en una balanza y midiendo directamente la cantidad de masa perdida por evaporación, además de monitorear la temperatura sobre la superficie del hidrogel. Las luces estaban protegidas para evitar que introdujeran calor adicional. Los investigadores descubrieron que el efecto variaba con el color y alcanzaba su punto máximo en una longitud de onda particular de luz verde. Esta dependencia del color no tiene relación con el calor y, por lo tanto, apoya la idea de que la luz misma causa al menos parte de la evaporación.

Los investigadores intentaron duplicar la tasa de evaporación observada con la misma configuración, pero usando electricidad para calentar el material y sin luz. Aunque el aporte de calor fue el mismo que en la otra prueba, la cantidad de agua evaporada nunca superó el límite de calor. Sin embargo, lo hizo cuando había luz solar simulada, confirmando que la luz era la causa de la evaporación adicional.

Si bien el agua en sí no absorbe mucha luz, y tampoco lo hace el material de hidrogel, cuando los dos se combinan se convierten en fuertes absorbentes, dice Chen. Esto permite que el material aproveche la energía de los fotones solares de manera eficiente y supere el límite térmico, sin necesidad de tintes oscuros para la absorción.

Aplicaciones potenciales y colaboración continua

Después de descubrir este efecto, al que denominaron efecto fotomolecular, los investigadores ahora están trabajando en cómo aplicarlo a las necesidades del mundo real. Obtuvieron 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 explorar los efectos del fenómeno en la modelización del cambio climático.

Tu explica que en los procesos de desalinización estándar, “normalmente hay dos pasos: primero evaporamos el agua para convertirla en vapor, luego tenemos que condensar el vapor para licuarlo y convertirlo en agua dulce”. Con este descubrimiento, afirma, potencialmente “podremos lograr una alta eficiencia en el lado de la evaporación”. El proceso también podría tener aplicaciones en procesos que requieran secar un material.

Chen dice que, en principio, podría ser posible aumentar hasta tres o cuatro veces el límite 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 están intentando replicar los hallazgos, con la esperanza de superar el escepticismo que provocó los resultados inesperados y la hipótesis avanzada para explicarlos.

Referencia: “Efecto fotomolecular plausible que conduce a la evaporación del agua más allá del límite térmico” por Yaodong Tu, Jiawei Zhou, Shaoting Lin, Mohammed Alshrah, Xuanhe Zhao y Gang 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, Mohammed Alshrah y Xuanhe Zhao, todos del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.