MIT חושף אפקט פוטו-מולקולרי: אור יכול לאדות מים ללא חום

MIT חוקרים גילו שאור יכול לגרום לאידוי, לא רק חום, והדגימו זאת על פני משטחי מים טבעיים וסינתטיים שונים. גילוי זה עשוי להשפיע על מודל האקלים ולהוביל לחידושים בטכנולוגיות אנרגיה סולארית וטיהור מים.

זה התהליכים הבסיסיים ביותר – אידוי מים מפני השטח של אוקיינוסים ואגמים, שריפת ערפל בשמש הבוקר, וייבוש של בריכות מלוחות שמותיר מלח מוצק מאחור. האידוי נמצא מסביבנו, ובני אדם צופים בו ועושים בו שימוש כל עוד אנו קיימים.

ועדיין, מסתבר, היה חסר לנו חלק עיקרי מהתמונה לאורך כל הדרך.

גילוי אידוי המושרה על ידי אור

בסדרה של ניסויים מדויקים בקפדנות, צוות חוקרים ב-MIT הוכיח שחום אינו היחיד שגורם למים להתאדות. אור, הפוגע במשטח המים שבו אוויר ומים נפגשים, יכול לשבור את מולקולות המים ולהציף אותן באוויר, ולגרום לאידוי בהיעדר מקור חום כלשהו.

לגילוי החדש והמדהים עשוי להיות מגוון רחב של השלכות משמעותיות. זה יכול לעזור להסביר מדידות מסתוריות לאורך השנים כיצד אור השמש משפיע על עננים, ולכן להשפיע על חישובים של השפעות שינויי האקלים על כיסוי העננים והמשקעים. זה יכול גם להוביל לדרכים חדשות לתכנון תהליכים תעשייתיים כמו התפלה באמצעות אנרגיה סולארית או ייבוש חומרים.

הממצאים, וקווי הראיות הרבים המדגימים את מציאות התופעה ואת פרטי אופן פעולתה, מתוארים היום בכתב העת PNAS, במאמר מאת קרל ריצ'רד סודרברג פרופסור להנדסת כוח גנג צ'ן, פוסט-דוקטורט Guangxin Lv ו-Yaodong Tu, וסטודנט לתואר שני ג'יימס ג'אנג.

המחברים אומרים שהמחקר שלהם מצביע על כך שההשפעה צריכה להתרחש באופן נרחב בטבע – בכל מקום, מעננים ועד ערפילים ועד לפני השטח של אוקיינוסים, קרקעות וצמחים – ושהוא יכול גם להוביל ליישומים מעשיים חדשים, כולל בייצור אנרגיה ומים נקיים. "אני חושב שיש לזה הרבה יישומים", אומר חן. "אנחנו בוחנים את כל הכיוונים השונים האלה. וכמובן, זה משפיע גם על המדע הבסיסי, כמו ההשפעות של עננים על האקלים, כי עננים הם ההיבט הכי לא ודאי במודלים של אקלים".

תופעה חדשה

העבודה החדשה מתבססת על מחקר שדווח בשנה שעברה, שתיאר את ה"אפקט הפוטומולקולרי" החדש הזה, אבל רק בתנאים מיוחדים מאוד: על פני השטח של הידרוג'לים שהוכנו במיוחד שהושרו במים. במחקר החדש, החוקרים מדגימים כי ההידרוג'ל אינו הכרחי לתהליך; זה מתרחש בכל משטח מים החשוף לאור, בין אם זה משטח שטוח כמו גוף מים או משטח מעוקל כמו טיפת אדי ענן.

מכיוון שההשפעה הייתה כה בלתי צפויה, הצוות פעל להוכיח את קיומו בעזרת קווי ראיות שונים ככל האפשר. במחקר זה, הם מדווחים על 14 סוגים שונים של בדיקות ומדידות שביצעו כדי לקבוע שהמים אכן מתאדים – כלומר, מולקולות של מים נפלו משטח המים ונתנו לאוויר – בגלל האור בלבד, לא על ידי חום, אשר הונח מזמן שהוא המנגנון היחיד המעורב.

אינדיקטור מרכזי אחד, שהופיע באופן עקבי בארבעה סוגים שונים של ניסויים בתנאים שונים, היה שכשהמים החלו להתאדות ממיכל בדיקה באור נראה, טמפרטורת האוויר שנמדדה מעל פני המים התקררה ואז התיישרה, מה שמראה. שאנרגיה תרמית לא הייתה הכוח המניע מאחורי האפקט.

אינדיקטורים מרכזיים אחרים שהופיעו כללו את האופן שבו אפקט האידוי השתנה בהתאם לזווית האור, הצבע המדויק של האור והקיטוב שלו. אף אחד מהמאפיינים המשתנים הללו לא אמור לקרות מכיוון שבאורכי גל אלו, מים כמעט ולא סופגים אור בכלל – ובכל זאת החוקרים צפו בהם.

ההשפעה חזקה ביותר כאשר האור פוגע במשטח המים בזווית של 45 מעלות. הוא גם החזק ביותר עם סוג מסוים של קיטוב, הנקרא קיטוב מגנטי רוחבי. והוא מגיע לשיא באור ירוק – שהוא, באופן מוזר, הצבע שעבורו המים שקופים ביותר ובכך מתקשר הכי פחות.

חן ושותפיו הציעו מנגנון פיזיקלי שיכול להסביר את תלות הזווית ותלות הקיטוב של האפקט, ומראים שפוטונים של האור יכולים להקנות כוח נקי על מולקולות המים על פני המים, שמספיק כדי לשחרר אותן מהגוף. גוף של מים. אבל הם עדיין לא יכולים להסביר את התלות בצבע, שלדבריהם תדרוש מחקר נוסף.

הם קראו לזה האפקט הפוטו-מולקולרי, באנלוגיה לאפקט הפוטואלקטרי שהתגלה על ידי היינריך הרץ ב-1887 ולבסוף הוסבר על ידי אלברט איינשטיין ב-1905. אפקט זה היה אחת ההדגמות הראשונות שלאור יש גם מאפיינים חלקיקים, שהיו לה השלכות גדולות בפיזיקה והוביל למגוון רחב של יישומים, כולל נוריות LED. בדיוק כפי שהאפקט הפוטואלקטרי משחרר אלקטרונים מאטומים בחומר בתגובה להיפגע על ידי פוטון של אור, האפקט הפוטומולקולרי מראה שפוטונים יכולים לשחרר מולקולות שלמות ממשטח נוזלי, אומרים החוקרים.

"הממצא של אידוי הנגרם על ידי אור במקום חום מספק ידע משבש חדש על אינטראקציה של אור-מים", אומר Xiulin Ruan, פרופסור להנדסת מכונות באוניברסיטת Purdue, שלא היה מעורב במחקר. "זה יכול לעזור לנו להשיג הבנה חדשה של האופן שבו אור השמש יוצר אינטראקציה עם ענן, ערפל, אוקיינוסים וגופי מים טבעיים אחרים כדי להשפיע על מזג האוויר והאקלים. יש לו יישומים מעשיים פוטנציאליים משמעותיים כגון התפלת מים בעלת ביצועים גבוהים המונעים על ידי אנרגיה סולארית. המחקר הזה הוא בין הקבוצה הנדירה של תגליות מהפכניות באמת שאינן מקובלות על ידי הקהילה באופן מיידי, אך לוקח זמן, לפעמים הרבה זמן, עד שיאושרו".

פתרון חידת ענן

הממצא עשוי לפתור תעלומה בת 80 שנה במדעי האקלים. מדידות של האופן שבו עננים סופגים את אור השמש הראו לעתים קרובות שהם סופגים יותר אור שמש ממה שהפיזיקה הקונבנציונלית מכתיבה אפשרית. האידוי הנוסף שנגרם כתוצאה מהשפעה זו עשוי להסביר את הפער רב השנים, שהיה נתון למחלוקת מכיוון שקשה לבצע מדידות כאלה.

"הניסויים האלה מבוססים על נתוני לוויין ונתוני טיסה", מסביר חן. "הם מטיסים מטוס על גבי ומתחת לעננים, וישנם גם נתונים המבוססים על טמפרטורת האוקיינוס ​​ומאזן הקרינה. וכולם מסיקים שיש יותר קליטה על ידי עננים ממה שהתיאוריה יכולה לחשב. עם זאת, בשל מורכבות העננים והקשיים בביצוע מדידות כאלה, חוקרים התלבטו אם פערים כאלה הם אמיתיים או לא. ומה שגילינו מצביע על כך שהיי, יש עוד מנגנון לספיגת ענן, שלא הובא בחשבון, והמנגנון הזה עשוי להסביר את הפערים".

צ'ן אומר שדיבר לאחרונה על התופעה בכנס של החברה האמריקנית לפיזיקה, ופיזיקאי אחד שם שחוקר עננים ואקלים אמר שמעולם לא חשבו על האפשרות הזו, שיכולה להשפיע על חישובים של ההשפעות המורכבות של עננים על האקלים. הצוות ערך ניסויים באמצעות נוריות LED המאירות על תא עננים מלאכותי, והם צפו בחימום של הערפל, מה שלא היה אמור לקרות מכיוון שהמים אינם סופגים בספקטרום הנראה. "ניתן להסביר חימום כזה על סמך האפקט הפוטומולקולרי ביתר קלות", הוא אומר.

Lv אומר שמבין קווי הראיות הרבים, "האזור השטוח בחלוקת הטמפרטורה בצד האוויר מעל המים החמים יהיה הכי קל לאנשים להתרבות." פרופיל הטמפרטורה הזה "הוא חתימה" שמדגימה את ההשפעה בבירור, הוא אומר.

ג'אנג מוסיף: "די קשה להסביר איך פרופיל טמפרטורה שטוח כזה נוצר מבלי להפעיל מנגנון אחר" מעבר לתיאוריות המקובלות של אידוי תרמי. "זה מקשר בין מה שהרבה אנשים מדווחים במכשירי ההתפלה הסולארית שלהם", שמראים שוב קצבי אידוי שלא ניתן להסביר על ידי הקלט התרמי.

ההשפעה יכולה להיות משמעותית. בתנאים האופטימליים של צבע, זווית וקיטוב, אומר Lv, "קצב האידוי הוא פי ארבעה מהגבול התרמי".

יישומים מעשיים ומחקר עתידי

כבר, מאז פרסום המאמר הראשון, פנו לצוות חברות שמקווות לרתום את האפקט, אומר חן, כולל לאידוי סירופ וייבוש נייר במפעל נייר. היישומים הראשונים הסבירים יגיעו בתחומי מערכות התפלה סולאריות או תהליכי ייבוש תעשייתיים אחרים, הוא אומר. "ייבוש צורך 20 אחוז מכל צריכת האנרגיה התעשייתית", הוא מציין.

מכיוון שהאפקט כל כך חדש ובלתי צפוי, צ'ן אומר, "התופעה הזו צריכה להיות כללית מאוד, והניסוי שלנו הוא באמת רק ההתחלה". הניסויים הדרושים כדי להדגים ולכמת את ההשפעה גוזלים מאוד זמן. "ישנם משתנים רבים, מהבנת המים עצמם, ועד להרחבה לחומרים אחרים, נוזלים אחרים ואפילו מוצקים", הוא אומר.

"התצפיות בכתב היד מצביעות על מנגנון פיזיקלי חדש שמשנה באופן יסודי את החשיבה שלנו על קינטיקה של אידוי", אומרת שאנון יי, פרופסור חבר להנדסת מכונות בג'ורג'יה טק, שלא הייתה קשורה לעבודה זו. הוא מוסיף, "מי היה מאמין שאנחנו עדיין לומדים על משהו כמו מתנדף מים?"

"אני חושב שהעבודה הזו מאוד משמעותית מבחינה מדעית כי היא מציגה מנגנון חדש", אומרת פרופסור הנכבדה מאוניברסיטת אלברטה, ג'נט AW אליוט, שגם היא לא הייתה קשורה לעבודה זו. "זה עשוי גם להתברר כחשוב מעשית לטכנולוגיה ולהבנת הטבע שלנו, כי אידוי של מים נמצא בכל מקום ונראה שהאפקט מספק קצבי אידוי גבוהים משמעותית מהמנגנון התרמי המוכר. … הרושם הכללי שלי הוא שהעבודה הזו יוצאת מן הכלל. נראה שזה נעשה בקפידה עם הרבה ניסויים מדויקים המעניקים תמיכה זה לזה".

העבודה נתמכה בחלקה על ידי פרס MIT Bose. המחברים עובדים כעת על דרכים לעשות שימוש באפקט זה להתפלת מים, בפרויקט הממומן על ידי מעבדת מערכות המים והמזון של עבדול לטיף ג'מייל ותוכנית MIT-UMRP.