Estudo do MIT sugere que a luz pode evaporar água sem calor
(news.mit.edu)- A evaporação da água normalmente é explicada por entrada de calor, mas pesquisadores do MIT concluíram que, na interface entre água e ar, a luz pode provocar evaporação diretamente
- A água presa em um hidrogel (
hydrogel) evaporou mais de 2 e 3 vezes mais rápido do que o limite térmico em experimentos anteriores, e a equipe do MIT confirmou isso com novos experimentos, simulações e reavaliação de resultados existentes - Ao iluminar com luzes de diferentes cores, a taxa de evaporação variou conforme o comprimento de onda e atingiu o pico na faixa verde; quando a mesma entrada térmica foi fornecida por aquecimento elétrico, o limite não foi ultrapassado
- Os pesquisadores chamam esse fenômeno de photomolecular effect e estão estudando formas de aplicá-lo em dessalinização solar, secagem e processos de resfriamento evaporativo
- Como ele também pode afetar a formação e a evolução de névoa e nuvens, melhorar a precisão dos modelos climáticos e verificar a reprodutibilidade por outros grupos de pesquisa continuam sendo tarefas importantes
Um possível elemento ausente na compreensão da evaporação da água
- A evaporação é um fenômeno familiar, como o resfriamento do suor ou o desaparecimento do orvalho ao sol da manhã, mas pode ter havido uma lacuna na compreensão científica desse processo
- Nos últimos anos, alguns pesquisadores observaram que a água contida em hidrogéis, materiais porosos semelhantes a esponjas, evaporava muito mais rápido do que a taxa explicável pela quantidade de calor recebida
- A taxa de evaporação excedente podia chegar a 2 vezes e até mais de 3 vezes o máximo teórico
- O máximo teórico significa a maior quantidade de evaporação possível para uma dada entrada de calor, de acordo com princípios físicos básicos como a conservação de energia
A conclusão dos pesquisadores do MIT e o artigo
- Pesquisadores do MIT concluíram, com base em novos experimentos, simulações e revisão de resultados de vários grupos que haviam relatado ultrapassar o limite térmico, que a própria luz pode causar evaporação na interface entre água e ar
- Nos experimentos, a água estava dentro de um hidrogel, mas os pesquisadores acreditam que o fenômeno também pode ocorrer em outras condições
- Os resultados foram publicados no artigo da PNAS “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.”
Por que é uma descoberta surpreendente
- A própria água não absorve muita luz, por isso ainda é possível enxergar com relativa nitidez vários metros abaixo da superfície em água limpa
- No início, a equipe também estudava o processo de evaporação na dessalinização solar e colocava partículas pretas absorvedoras de luz na água para converter a luz solar em calor
- Depois, encontraram estudos de outros grupos que alcançaram taxas de evaporação em água presa em hidrogéis equivalentes ao dobro do limite térmico, e a equipe do MIT inicialmente ficou cética
- Chen e Tu começaram então seus próprios experimentos, incluindo amostras de hidrogel do grupo em questão, e confirmaram taxas de evaporação anormalmente altas sob um simulador solar
Como os experimentos foram feitos e as principais evidências
- Os pesquisadores observaram a superfície de um hidrogel parecido com JELL-O, composto majoritariamente por água e preso em uma estrutura porosa fina semelhante a uma membrana
- Eles mediram a taxa de evaporação enquanto iluminavam, em sequência, a superfície do hidrogel com luz solar simulada de comprimentos de onda precisamente controlados
- Um recipiente com o hidrogel saturado de água era colocado sobre uma balança, e a redução de massa por evaporação era medida diretamente
- A temperatura acima da superfície do hidrogel também era monitorada
- A iluminação era isolada para não adicionar calor extra
- O efeito de evaporação variou conforme a cor da luz e atingiu o valor máximo em um determinado comprimento de onda verde
- Essa dependência da cor é difícil de explicar apenas por calor, reforçando a interpretação de que a própria luz provoca parte da evaporação
- Quando o material foi aquecido eletricamente no mesmo equipamento, sem luz, para fornecer a mesma entrada de calor, a quantidade evaporada não ultrapassou o limite térmico
- Em contrapartida, quando a luz solar simulada foi ligada, o sistema superou o limite térmico, confirmando que a luz era a causa da evaporação adicional
A hipótese do photomolecular effect
- Os pesquisadores acreditam que fótons de luz podem destacar diretamente aglomerados de moléculas de água da superfície
- Esse efeito pode ocorrer apenas na camada de interface água-ar na superfície do hidrogel
- O mesmo fenômeno também pode ocorrer na superfície do mar ou nas superfícies de gotículas em nuvens e névoa
- Segundo Chen, nem a própria água nem o hidrogel absorvem muita luz, mas, quando combinados, tornam-se um forte absorvedor
- Essa combinação pode usar com eficiência a energia dos fótons solares sem corantes escuros e ultrapassar o limite térmico
Possíveis aplicações em dessalinização, secagem e resfriamento
- Os pesquisadores chamam esse fenômeno de photomolecular effect e estão estudando formas práticas de utilizá-lo
- Com apoio do Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab do MIT, eles estão pesquisando como melhorar a eficiência de sistemas de dessalinização solar
- Por meio do Bose Grant, também investigam o impacto desse fenômeno na modelagem das mudanças climáticas
- Os processos padrão de dessalinização normalmente têm duas etapas
- Primeiro, a água é evaporada em vapor
- Depois, o vapor é condensado e transformado em água doce líquida
- Tu acredita que essa descoberta pode aumentar a eficiência da etapa de evaporação
- Chen considera que, em princípio, o limite atual de produção de água na dessalinização solar, de 1,5 kg por metro quadrado, poderia ser elevado em 3 a 4 vezes com uma abordagem baseada em luz
- A descoberta também pode ser aplicada a processos que exigem secagem de materiais
- Tu também vê potencial de uso em processos de resfriamento evaporativo, que utilizam mudança de fase para oferecer sistemas de resfriamento solar de alta eficiência
Modelos climáticos e verificação de reprodutibilidade
- Esse fenômeno pode afetar a formação e a evolução de névoa e nuvens
- Nesse caso, incluir esse efeito nos modelos pode ser importante para aumentar a precisão das simulações climáticas
- Para superar o ceticismo em torno de resultados inesperados e da hipótese proposta para explicá-los, os pesquisadores estão colaborando de perto com outros grupos que tentam reproduzir os resultados
2 comentários
Só pelo título, parece algo parecido com o efeito fotoelétrico.
Comentários do Hacker News
Os pesquisadores disseram que o efeito atinge o pico em um comprimento de onda verde específico, e isso me faz pensar se também afeta a fotossíntese
Lembro que as plantas parecem verdes porque a clorofila não absorve a cor verde, mas talvez isso também tenha a ver com o fato de a luz verde induzir evaporação demais
O verde é de longe a cor mais brilhante no espectro visível, enquanto o violeta escuro é a menos brilhante. Uma planta que refletisse violeta poderia absorver mais luz visível e produzir mais açúcar. Como a maioria das plantas precisa de uma mudança química para passar do modo de produção para um modo mais escuro, ao refletir o verde elas abrem mão da produção máxima de energia para ganhar estabilidade química interna
As plantas não têm um coração que bombeia “sangue” para distribuir nutrientes, então dependem da evaporação para transportar nutrientes das raízes para cima
Também lembro de pesquisas dizendo que árvores liberam uma espécie de névoa no ar, então faz sentido pensar que folhas verdes possam ajudar nesse processo
Não entendo muito bem o que isso significa em termos termodinâmicos
A energia por unidade de massa necessária para transformar água líquida em vapor não é fixa? Seja essa energia vinda da luz ou de outra fonte, não entendo por que faria diferença
Normalmente, a evaporação acontece quando moléculas individuais de água adquirem energia térmica suficiente para romper as ligações intermoleculares e escapar do volume líquido para o ar
Neste caso, encontraram fortes evidências de que moléculas de água são removidas em aglomerados de várias moléculas. Nesses aglomerados, as ligações intermoleculares ainda não foram rompidas, então é necessária menos energia térmica para entrarem no ar do que no caso da evaporação em moléculas individuais. Depois, esses aglomerados se separam no ar, absorvendo energia térmica do próprio ar e reduzindo levemente a temperatura do ar alguns milímetros acima da superfície da amostra
Evaporação na forma de aglomerados moleculares é algo estranho e muito diferente do processo normal. Antes de esses aglomerados se quebrarem em moléculas individuais, nem sei se dá para chamar isso de vapor d’água de verdade, então nem tenho certeza se isso deveria mesmo ser chamado de evaporação
Ou seja, evapora muito mais rápido do que se esperaria apenas pela energia por unidade de massa
Como se os fótons estivessem atingindo moléculas que já estão prestes a passar para o estado gasoso, e só isso bastasse para transformá-las em algo como névoa. Em vez de a água esquentar e então saltar para fora, a sensação é mais de ela ser empurrada para o lado gasoso, como num umidificador
O artigo distingue luz de “calor”, mas neste contexto experimental isso parece mais uma diferença em como a energia é transferida. É a diferença entre aquecer toda a água e fazer a luz interagir com moléculas individuais de água
Na prática, isso pode aumentar a eficiência da evaporação. Ao aquecer toda a água, as perdas são grandes e uma parte considerável da energia de entrada não vai para a água. Se for possível encontrar comprimentos de onda específicos que interajam fortemente com a água e provoquem evaporação, pode dar para reduzir bastante a energia de entrada perdida no processo
Perguntando como leigo: isso pode ter relação com o espectro de absorção eletromagnética da água?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
O comprimento de onda “verde” citado na matéria parece ser justamente o ponto de menor absorção. Nesse caso, isso significaria que o calor surge como resultado de uma resistência eletromagnética? Como quando micro-ondas faz as moléculas de água vibrarem
De forma parecida, protetores solares químicos absorvem certos comprimentos de onda com ligações específicas, que vibram e transformam a radiação UV em calor
O artigo relacionado é “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit” (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120
Ele sugere que a taxa de evaporação atinge o pico no comprimento de onda verde de 520nm, que a temperatura do vapor fica mais baixa sob luz e propõe como hipótese um efeito fotomolecular no qual aglomerados de moléculas de água se desprendem da superfície. Os autores acreditam que isso pode afetar a natureza, o clima e o crescimento das plantas, além de tecnologias de água limpa e energia
Fico curioso se fotônica integrada de baixo custo poderia ajudar em coisas como dessalinização ou esterilização. Sobre isso, também há vários métodos de fotônica integrada com diferentes custos de produção: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
Muito legal, mas fico confuso sobre por que isso não foi descoberto por acaso até agora
Parece que mesmo uma conta aproximada já deveria ter deixado isso bem claro, ou será que tem mais a ver com as características específicas do hidrogel usado?
Ele conta como as medições da carga do elétron foram melhorando aos poucos: quando um número saía muito acima do valor de Millikan, concluíam que havia algo errado e acabavam encontrando um motivo; já se saísse perto do valor de Millikan, desconfiavam menos. Então acontecia esse tipo de coisa de eliminar números que fugiam demais. A ideia é que hoje aprendemos esses truques e sofremos menos desse mal
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
Isso acontece o tempo todo em química, ciência dos materiais e física da matéria condensada. Há infinitas formas de combinar as coisas, e só algumas são interessantes. Isolar esse tipo de fenômeno exige muito trabalho manual
Fiquei curioso sobre duas coisas que não apareceram na matéria, mas com certeza devem ter sido consideradas em algum lugar
Como a força de ligação difere entre moléculas de água cercadas por água e a água dentro do hidrogel, e também qual seria a diferença de pressão parcial entre uma superfície de água pura exposta ao ar e uma superfície água-hidrogel exposta ao ar
Parece que isso pede estudos de acompanhamento muito interessantes
Acho que há um mal-entendido aqui. Este estudo encontrou um mecanismo desconhecido pelo qual a água, quando está na camada de interface do hidrogel, absorve luz que normalmente não absorveria e, por isso, evapora mais rápido do que quando é simplesmente aquecida
Se não for erro nem uma reação paralela insustentável, isso pode baratear processos que precisam de evaporação, como dessalinização
Só que muita gente parece interpretar isso como se violasse a conservação de energia
Fico me perguntando quanto tempo vai levar até alguém descobrir como usar esse efeito para fazer uma bomba de calor
Como não precisaria de compressor, talvez essa “bomba de calor fotomolecular” pudesse ser mais fácil de miniaturizar. Também fico curioso se outros solventes ou refrigerantes poderiam ser fluidos de trabalho mais eficientes do que a água, realmente muito interessante
Acho que a ideia deve ser usar o efeito fotomolecular para ferver o refrigerante no evaporador da bomba de calor, mas fervura é um processo de volume que acontece quando a temperatura do fluido sobe o bastante para que todas as ligações intermoleculares comecem a se romper. Evaporação é um processo de superfície, em que algumas moléculas escapam aleatoriamente das ligações intermoleculares na superfície e se misturam ao ar ao redor. Apesar do nome, o que acontece no evaporador de uma bomba de calor não é evaporação, e sim fervura
O efeito fotomolecular não provoca fervura, apenas evaporação. E você provavelmente nem iria querer evaporação real no evaporador. Seria necessário ar, e aí seria preciso comprimir muito ar junto com o refrigerante, desperdiçando muita energia
A primeira aplicação que me veio à cabeça foi em torres de resfriamento. Torres de resfriamento resfriam vários fluidos de processo por meio da evaporação da água. Mas, nas torres de resfriamento, queremos que a evaporação absorva calor da água e reduza sua temperatura. Este efeito usa luz e calor do ar, então na prática reduz a quantidade de calor absorvida da própria água
Se houver uma aplicação de engenharia, é mais provável que seja em processos de secagem ou dessalinização passiva, onde o objetivo final é justamente a evaporação da própria água
Gang Chen é alguém que recentemente foi difamado e processado injustamente pelo governo dos EUA por causa de colaboração de pesquisa com a China
É bom vê-lo se reerguendo
Tópico relacionado em andamento: Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574