Es el más fundamental de los procesos: la evaporación del agua de las superficies de los océanos y lagos, la quema de la niebla con el sol de la mañana y el secado de los estanques salobres que dejan sal sólida. La evaporación está a nuestro alrededor y los humanos la hemos observado y utilizado desde que existimos.
Y, sin embargo, resulta que nos hemos perdido una parte importante de la imagen todo el tiempo.
En una serie de experimentos minuciosamente precisos, un equipo de investigadores del MIT ha demostrado que el calor no es el único que provoca la evaporación del agua. La luz, al golpear la superficie del agua donde se encuentran el aire y el agua, puede romper las moléculas de agua y hacerlas flotar en el aire, provocando la evaporación en ausencia de cualquier fuente de calor.
Este sorprendente nuevo descubrimiento podría tener una amplia gama de implicaciones importantes. Podría ayudar a explicar misteriosas mediciones realizadas a lo largo de los años sobre cómo la luz solar afecta a las nubes y, por lo tanto, afectar los cálculos de los efectos del cambio climático sobre la nubosidad y las precipitaciones. También podría conducir a nuevas formas de diseñar procesos industriales, como la desalinización con energía solar o el secado de materiales.
Los hallazgos, y las diferentes líneas de evidencia que demuestran la realidad del fenómeno y los detalles de cómo funciona, se describen hoy en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , en un artículo del profesor Carl Richard Soderberg de Power Engineering Gang. Chen, los posdoctorados Guangxin Lv y Yaodong Tu, y el estudiante de posgrado James Zhang.
Los autores dicen que su estudio sugiere que el efecto debería ocurrir ampliamente en la naturaleza, desde las nubes hasta las nieblas y las superficies de los océanos, los suelos y las plantas, y que también podría conducir a nuevas aplicaciones prácticas, incluso 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 la ciencia básica, como los efectos 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 describió este nuevo “efecto fotomolecular”, pero sólo en condiciones muy especializadas: 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 con tantas líneas de evidencia diferentes como fuera posible. En este estudio, informan sobre 14 tipos diferentes de pruebas y mediciones que llevaron a cabo para establecer que el agua realmente se estaba evaporando (es decir, que las moléculas de agua se soltaban de la superficie del agua y flotaban en el aire) debido únicamente a la luz. no por el calor, que durante mucho tiempo se supuso que era el único mecanismo involucrado.
Un indicador clave, que se mostró consistentemente en cuatro tipos diferentes de experimentos bajo diferentes condiciones, fue que cuando el agua comenzó a evaporarse de un recipiente de prueba bajo luz visible , la temperatura del aire medida sobre la superficie del agua se enfrió y luego se estabilizó, mostrando que la energía térmica no era la fuerza impulsora detrás del efecto.
Otros indicadores clave que aparecieron incluyeron 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 características variables debería ocurrir porque en estas longitudes de onda, el agua apenas absorbe luz 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 con cierto tipo de polarización, llamada polarización magnética transversal. Y alcanza su punto máximo con la luz verde, que, curiosamente, es el color en el que el agua es más transparente y, por tanto, interactúa menos.
Chen y sus co-investigadores han propuesto un mecanismo físico que puede explicar la dependencia del ángulo y la polarización del efecto, mostrando que los fotones de luz pueden impartir una fuerza neta sobre las moléculas de agua en la superficie del agua que es suficiente para soltarlas de la superficie del agua. cuerpo de agua. Pero todavía no pueden explicar la dependencia del color, que, según afirman, requerirá más estudios.
Lo han denominado efecto fotomolecular, por analogía con el efecto fotoeléctrico que fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887 y finalmente explicado por Albert Einstein en 1905. Ese efecto fue una de las primeras demostraciones de que la luz también tiene características de partículas, lo que tuvo importantes implicaciones. en física y dio lugar a una amplia variedad de aplicaciones, incluidos los LED. Así como el efecto fotoeléctrico libera electrones de los átomos de un material en respuesta al impacto de 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 la evaporación causada por la luz en lugar del calor proporciona nuevos conocimientos disruptivos 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 otros cuerpos de agua naturales para afectar el tiempo y el clima. Tiene importantes aplicaciones prácticas potenciales, como la desalinización de agua de alto rendimiento impulsada por energía solar. Esta investigación “Se encuentra entre el raro grupo de descubrimientos verdaderamente revolucionarios que no son ampliamente aceptados por la comunidad de inmediato, pero que toman tiempo, a veces mucho tiempo, para ser confirmados.”
Resolviendo un enigma de la nube
El hallazgo puede 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 están absorbiendo más luz solar de lo que la física convencional dicta. La evaporación adicional causada por este efecto podría explicar la discrepancia de larga data, que ha sido objeto de controversia ya que tales mediciones son difíciles de realizar.
“Esos experimentos se basan en datos de satélite y de vuelos”, explica Chen. “Vuelan 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 hay más absorción por las nubes de lo que la teoría podría calcular. Sin embargo, debido a la complejidad de nubes y las dificultades de hacer tales mediciones, los investigadores han estado debatiendo si tales discrepancias son reales o no y lo que descubrimos sugiere que hay otro mecanismo para la absorción de las nubes, que no se tuvo en cuenta, y este 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 habían pensado en esta posibilidad, que podría afectar los cálculos de los complejos efectos de las nubes en el clima. El equipo realizó experimentos utilizando LED que brillaban en una cámara de niebla artificial y observaron el calentamiento de la niebla, lo que no se suponía que ocurriera ya que el agua no se absorbe en el espectro visible.
“Este calentamiento se puede explicar más fácilmente basándose en 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 la gente”. Ese perfil de temperatura “es una firma” que demuestra claramente el efecto, afirma.
Zhang añade: “Es bastante difícil explicar cómo se produce este tipo de perfil de temperatura plano sin invocar algún otro mecanismo” más allá de las teorías aceptadas de la evaporación térmica. Y continúa: “Esto une lo que mucha gente informa en sus dispositivos de desalinización solar”, que nuevamente muestran tasas de evaporación que no pueden explicarse por la aportación térmica.
El efecto puede ser sustancial. En las condiciones óptimas de color, ángulo y polarización, dice Lv, “la tasa de evaporación es cuatro veces el límite térmico”.
Desde la publicación del primer artículo, el equipo ha sido contactado por empresas que esperan aprovechar el efecto, dice Chen, incluso para evaporar jarabe y secar papel en una fábrica de papel. Las primeras aplicaciones más probables se producirán en el ámbito de los sistemas de desalinización solar u otros procesos de secado industriales, afirma.
“El secado consume el 20 por ciento de toda la energía industrial”, señala.
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 demostrar 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”, añade.
“Las observaciones del manuscrito apuntan a un nuevo mecanismo físico que altera 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. “¿Quién hubiera pensado que todavía estamos aprendiendo sobre algo tan cotidiano como la evaporación del agua?”
“Creo que este trabajo es muy significativo desde el punto de vista científico porque presenta un nuevo mecanismo”, dice la distinguida profesora Janet AW Elliott de la Universidad de Alberta, que tampoco participó en este trabajo. “También puede resultar importante en la práctica para la tecnología y nuestra comprensión de la naturaleza, porque la evaporación del agua es omnipresente y el efecto parece producir tasas de evaporación significativamente más altas que el mecanismo térmico conocido… Mi impresión general es que este trabajo es excepcional. Parece que se ha hecho cuidadosamente con muchos experimentos precisos que se apoyan unos a otros”.
phys.org
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