Pesquisadores do MIT descobriram um novo fenômeno:que a luz pode causar a evaporação da água de sua superfície sem a necessidade de calor. Na foto está um dispositivo de laboratório projetado para medir o “efeito fotomolecular”, usando feixes de laser. Crédito:Bryce Vickmark É o mais fundamental dos processos – a evaporação da água das superfícies dos oceanos e lagos, a queima da neblina ao sol da manhã e a secagem de lagoas salgadas que deixam para trás sal sólido. A evaporação está ao nosso redor e os humanos a observam e fazem uso dela desde que existimos.
E, no entanto, descobrimos que perdemos uma parte importante do quadro o tempo todo.
Numa série de experiências meticulosamente precisas, uma equipa de investigadores do MIT demonstrou que o calor não é o único responsável pela evaporação da água. A luz, ao atingir a superfície da água onde o ar e a água se encontram, pode quebrar as moléculas de água e fazê-las flutuar no ar, causando evaporação na ausência de qualquer fonte de calor.
A surpreendente nova descoberta pode ter uma ampla gama de implicações significativas. Poderia ajudar a explicar medições misteriosas ao longo dos anos de como a luz solar afecta as nuvens e, portanto, afectar os cálculos dos efeitos das alterações climáticas na cobertura de nuvens e na precipitação. Também poderia levar a novas formas de projetar processos industriais, como a dessalinização movida a energia solar ou a secagem de materiais.
As descobertas e as diversas linhas de evidência que demonstram a realidade do fenômeno e os detalhes de como ele funciona estão descritas hoje nos Proceedings of the National Academy of Sciences. , em um artigo de Carl Richard Soderberg, professor de engenharia de energia Gang Chen, pós-doutorado Guangxin Lv e Yaodong Tu, e estudante de graduação James Zhang.
Os autores afirmam que o seu estudo sugere que o efeito deverá ocorrer amplamente na natureza – em todo o lado, desde nuvens a nevoeiros, até às superfícies dos oceanos, solos e plantas – e que também poderá levar a novas aplicações práticas, incluindo na produção de energia e de água limpa.
“Acho que isso tem muitas aplicações”, diz Chen. "Estamos explorando todas essas direções diferentes. E, claro, isso também afeta a ciência básica, como os efeitos das nuvens no clima, porque as nuvens são o aspecto mais incerto dos modelos climáticos."
Um fenômeno recente
O novo trabalho baseia-se em pesquisas relatadas no ano passado, que descreveram este novo “efeito fotomolecular”, mas apenas sob condições muito especializadas:na superfície de hidrogéis especialmente preparados e embebidos em água. No novo estudo, os pesquisadores demonstram que o hidrogel não é necessário para o processo; ocorre em qualquer superfície de água exposta à luz, seja uma superfície plana como um corpo de água ou uma superfície curva como uma gota de vapor de nuvem.
Como o efeito foi tão inesperado, a equipe trabalhou para provar sua existência com tantas linhas de evidência diferentes quanto possível. Neste estudo, eles relatam 14 tipos diferentes de testes e medições que realizaram para estabelecer que a água estava de fato evaporando – isto é, moléculas de água estavam sendo liberadas da superfície da água e flutuando no ar – devido apenas à luz. não pelo calor, que durante muito tempo foi considerado o único mecanismo envolvido.
Um indicador chave, que apareceu consistentemente em quatro tipos diferentes de experiências sob diferentes condições, foi que à medida que a água começou a evaporar de um recipiente de teste sob luz visível, a temperatura do ar medida acima da superfície da água arrefeceu e depois estabilizou, mostrando que a energia térmica não foi a força motriz por trás do efeito.
Outros indicadores importantes que apareceram incluíram a forma como o efeito da evaporação variava dependendo do ângulo da luz, da cor exata da luz e da sua polarização. Nenhuma destas características variáveis deveria acontecer porque, nestes comprimentos de onda, a água dificilmente absorve luz – e ainda assim os investigadores observaram-nas.
O efeito é mais forte quando a luz atinge a superfície da água em um ângulo de 45 graus. Também é mais forte com um certo tipo de polarização, chamada polarização magnética transversal. E atinge o pico na luz verde – que, estranhamente, é a cor para a qual a água é mais transparente e, portanto, interage menos.
Chen e seus colegas pesquisadores propuseram um mecanismo físico que pode explicar o ângulo e a dependência da polarização do efeito, mostrando que os fótons de luz podem transmitir uma força resultante nas moléculas de água na superfície da água que é suficiente para soltá-las do corpo de água. Mas eles ainda não conseguem explicar a dependência da cor, que, segundo eles, exigirá estudos mais aprofundados.
Eles chamaram isso de efeito fotomolecular, por analogia com o efeito fotoelétrico descoberto por Heinrich Hertz em 1887 e finalmente explicado por Albert Einstein em 1905. Esse efeito foi uma das primeiras demonstrações de que a luz também possui características de partículas, o que teve implicações importantes. em física e levou a uma ampla variedade de aplicações, incluindo LEDs. Assim como o efeito fotoelétrico libera elétrons dos átomos de um material em resposta ao impacto de um fóton de luz, o efeito fotomolecular mostra que os fótons podem liberar moléculas inteiras de uma superfície líquida, dizem os pesquisadores.
“A descoberta da evaporação causada pela luz em vez do calor fornece novos conhecimentos disruptivos sobre a interacção luz-água”, diz Xiulin Ruan, professor de engenharia mecânica na Universidade Purdue, que não esteve envolvido no estudo.
"Isso poderia nos ajudar a obter uma nova compreensão de como a luz solar interage com nuvens, neblina, oceanos e outros corpos de água naturais para afetar o tempo e o clima. Tem aplicações práticas potenciais significativas, como a dessalinização de água de alto desempenho impulsionada pela energia solar. Esta pesquisa está entre o raro grupo de descobertas verdadeiramente revolucionárias que não são amplamente aceitas pela comunidade imediatamente, mas levam tempo, às vezes muito tempo, para serem confirmadas."
Resolvendo um enigma da nuvem
A descoberta pode resolver um mistério de 80 anos na ciência climática. Medições de como as nuvens absorvem a luz solar muitas vezes mostram que elas estão absorvendo mais luz solar do que a física convencional determina. A evaporação adicional causada por este efeito poderia ser responsável pela discrepância de longa data, que tem sido objeto de controvérsia, uma vez que tais medições são difíceis de fazer.
“Esses experimentos são baseados em dados de satélite e de voo”, explica Chen. “Eles pilotam um avião acima e abaixo das nuvens, e também existem dados baseados na temperatura do oceano e no balanço de radiação. E todos concluem que há mais absorção pelas nuvens do que a teoria poderia calcular. nuvens e as dificuldades de fazer tais medições, os pesquisadores têm debatido se tais discrepâncias são reais ou não. E o que descobrimos sugere que, ei, há outro mecanismo para a absorção de nuvens, que não foi contabilizado, e esse mecanismo pode explicar as discrepâncias. "
Chen diz que falou recentemente sobre o fenómeno numa conferência da American Physical Society, e um físico que estuda as nuvens e o clima disse nunca ter pensado nesta possibilidade, que poderia afectar os cálculos dos complexos efeitos das nuvens no clima. A equipe realizou experimentos usando LEDs brilhando em uma câmara de nuvem artificial e observou o aquecimento da neblina, o que não deveria acontecer porque a água não é absorvida no espectro visível.
“Esse aquecimento pode ser explicado mais facilmente com base no efeito fotomolecular”, diz.
Lv diz que das muitas linhas de evidência, “a região plana na distribuição da temperatura do lado do ar acima da água quente será a mais fácil de ser reproduzida pelas pessoas”. Esse perfil de temperatura “é uma assinatura” que demonstra claramente o efeito, diz ele.
Zhang acrescenta:“É muito difícil explicar como este tipo de perfil de temperatura plana surge sem invocar algum outro mecanismo” além das teorias aceitas de evaporação térmica. Ele continua:“Isso relaciona o que muitas pessoas relatam em seus dispositivos de dessalinização solar”, que mais uma vez mostram taxas de evaporação que não podem ser explicadas pela entrada térmica.
O efeito pode ser substancial. Sob condições ideais de cor, ângulo e polarização, diz Lv, “a taxa de evaporação é quatro vezes o limite térmico”.
Desde a publicação do primeiro artigo, a equipe já foi abordada por empresas que esperam aproveitar o efeito, diz Chen, inclusive para evaporar xarope e secar papel em uma fábrica de papel. As primeiras aplicações mais prováveis virão nas áreas de sistemas de dessalinização solar ou outros processos de secagem industrial, diz ele.
“A secagem consome 20% de todo o consumo de energia industrial”, ressalta.
Como o efeito é tão novo e inesperado, Chen diz:“Este fenômeno deve ser muito geral, e nosso experimento é apenas o começo”. Os experimentos necessários para demonstrar e quantificar o efeito consomem muito tempo. “Existem muitas variáveis, desde a compreensão da própria água, até a extensão para outros materiais, outros líquidos e até sólidos”, acrescenta.
“As observações no manuscrito apontam para um novo mecanismo físico que altera fundamentalmente o nosso pensamento sobre a cinética da evaporação”, diz Shannon Yee, professora associada de engenharia mecânica na Georgia Tech, que não esteve associada a este trabalho. “Quem poderia imaginar que ainda estamos aprendendo sobre algo tão cotidiano como a evaporação da água?”
“Acho que este trabalho é muito significativo cientificamente porque apresenta um novo mecanismo”, disse Janet A.W., professora ilustre da Universidade de Alberta. Elliott, que também não esteve associado a este trabalho. "Também pode vir a ser praticamente importante para a tecnologia e para a nossa compreensão da natureza, porque a evaporação da água é omnipresente e o efeito parece proporcionar taxas de evaporação significativamente mais elevadas do que o mecanismo térmico conhecido. … A minha impressão geral é que este trabalho é excelente. Parece ter sido feito cuidadosamente com muitos experimentos precisos que dão suporte uns aos outros."
