- La evaporación del agua suele explicarse por el aporte de calor, pero investigadores del MIT concluyeron que la luz puede provocar directamente la evaporación en la interfaz donde se encuentran el agua y el aire
- El agua atrapada en un hidrogel (hydrogel) se evaporó en experimentos previos más de 2 y 3 veces más rápido que el límite térmico, y el equipo del MIT lo confirmó con nuevos experimentos, simulaciones y una revisión de resultados anteriores
- Al iluminar con luz de distintos colores, la tasa de evaporación varió según la longitud de onda y alcanzó su máximo en la longitud de onda verde; cuando se entregó el mismo aporte de calor mediante calentamiento eléctrico, no se superó el límite
- Los investigadores llaman a este fenómeno photomolecular effect y están estudiando formas de aplicarlo en procesos de desalinización solar, secado y enfriamiento evaporativo
- Como también podría influir en la formación y evolución de la niebla y las nubes, la precisión de los modelos climáticos y la verificación de la reproducibilidad por parte de otros grupos de investigación siguen siendo tareas importantes
Un elemento que podría haber faltado en la comprensión de la evaporación del agua
- La evaporación es un fenómeno familiar, como el enfriamiento por el sudor o el rocío que desaparece con la luz de la mañana, pero podría haber habido un vacío en la comprensión científica del proceso
- En los últimos años, algunos investigadores observaron que el agua contenida en hidrogeles, materiales tipo esponja, se evapora mucho más rápido de lo que podría explicarse por la cantidad de calor recibida
- La tasa de evaporación excedente podía alcanzar 2 veces e incluso más de 3 veces el máximo teórico
- El máximo teórico se refiere a la cantidad máxima de evaporación posible con un determinado aporte de calor, según principios físicos básicos como la conservación de la energía
Conclusión y artículo del equipo del MIT
- Tras nuevos experimentos y simulaciones, además de revisar resultados de varios grupos que habían informado que se superaba el límite térmico, investigadores del MIT concluyeron que en la interfaz entre el agua y el aire la luz misma puede causar evaporación
- Aunque en los experimentos el agua estaba dentro de un hidrogel, los investigadores creen que este fenómeno también podría ocurrir en otras condiciones
- Los resultados fueron publicados en el artículo de PNAS “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.”
Por qué es un hallazgo sorprendente
- Como el agua en sí no absorbe mucha luz, es posible ver con relativa claridad incluso a varios metros de profundidad en agua limpia
- Al principio, mientras estudiaban el proceso de evaporación para la desalinización solar, los investigadores también incorporaron partículas negras absorbentes de luz al agua para convertir la luz solar en calor
- Más tarde encontraron un estudio de otro grupo que había logrado una tasa de evaporación equivalente al doble del límite térmico en agua atrapada en un hidrogel, y el equipo del MIT se mostró escéptico al principio
- Chen y Tu comenzaron sus propios experimentos, incluso con fragmentos de hidrogel de ese grupo, y confirmaron tasas de evaporación anormalmente altas bajo un simulador solar
Método experimental y evidencias clave
- Los investigadores observaron la superficie de un hidrogel similar a JELL-O, compuesto en su mayoría por agua y retenido en una red tipo esponja de película delgada
- Midieron la tasa de evaporación iluminando secuencialmente la superficie del hidrogel con luz solar simulada de longitudes de onda controladas con precisión
- Colocaron sobre una balanza un recipiente con el hidrogel cargado de agua y midieron directamente la pérdida de masa por evaporación
- También monitorearon la temperatura sobre la superficie del hidrogel
- Se usó blindaje para que la iluminación no aportara calor adicional
- El efecto de evaporación varió según el color de la luz y alcanzó su máximo en una longitud de onda verde específica
- Esta dependencia del color es difícil de explicar solo con calor, y respalda la interpretación de que la luz misma provoca parte de la evaporación
- Cuando, en el mismo equipo, calentaron eléctricamente el material sin luz para aportar la misma entrada de calor, la cantidad evaporada no superó el límite térmico
- En cambio, al encender la luz solar simulada, se superó el límite térmico, lo que confirmó que la causa de la evaporación adicional era la luz
La hipótesis llamada photomolecular effect
- Los investigadores creen que los fotones de la luz pueden desprender directamente agrupaciones de moléculas de agua en la superficie
- Este efecto solo podría ocurrir en la capa límite agua-aire de la superficie del hidrogel
- Existe la posibilidad de que el mismo fenómeno ocurra en la superficie del océano o en la superficie de gotitas de agua dentro de nubes y niebla
- Según Chen, ni el agua por sí sola ni el hidrogel por sí solo absorben mucha luz, pero cuando ambos se combinan se convierten en un absorbente potente
- Esta combinación permite aprovechar de forma eficiente la energía de los fotones solares, sin colorantes oscuros, y superar el límite térmico
Posibles aplicaciones en desalinización, secado y enfriamiento
- Los investigadores llaman a este efecto photomolecular effect y están estudiando formas de aplicarlo en la práctica
- Con apoyo del Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab del MIT, avanzan en investigaciones para mejorar la eficiencia de los sistemas de desalinización solar
- Mediante una Bose Grant, exploran el impacto de este fenómeno en el modelado del cambio climático
- Los procesos estándar de desalinización suelen constar de dos etapas
- Primero se evapora el agua para convertirla en vapor
- Luego el vapor se condensa para licuarlo como agua dulce
- Tu considera que este hallazgo podría aumentar la eficiencia de la etapa de evaporación
- Chen cree que, en principio, un enfoque basado en luz podría elevar entre 3 y 4 veces el límite actual de producción de agua de la desalinización solar, que es de 1,5 kg por metro cuadrado
- También podría aplicarse a procesos en los que es necesario secar materiales
- Tu cree que también podría aprovecharse en procesos de enfriamiento evaporativo que usan cambios de fase para ofrecer sistemas de enfriamiento solar de alta eficiencia
Modelos climáticos y verificación de reproducibilidad
- Este fenómeno podría influir en la formación y evolución de la niebla y las nubes
- En ese caso, para mejorar la precisión de los modelos climáticos podría ser importante incluir este efecto en los modelos
- Para superar el escepticismo ante los resultados inesperados y la hipótesis que los explica, los investigadores están colaborando estrechamente con otros grupos que intentan reproducir los resultados
2 comentarios
Por el título nada más, pensé que sería algo parecido al efecto fotoeléctrico.
Comentarios de Hacker News
Los investigadores dijeron que el efecto alcanza su punto máximo en una longitud de onda verde específica, y me pregunto si eso también afecta a la fotosíntesis
Recuerdo que las plantas se ven verdes porque la clorofila no absorbe el color verde, pero quizá también sea porque la luz verde induce demasiada evaporación
El verde es, por mucho, el color más brillante dentro del espectro visible, mientras que el violeta oscuro es el menos brillante. Una planta que reflejara violeta absorbería la mayor cantidad de luz visible y podría producir más azúcares. La mayoría de las plantas necesitarían una transición química para pasar del modo de producción al modo oscuro, así que al reflejar el verde renuncian a la producción máxima de energía a cambio de estabilidad química interna
Las plantas no tienen un corazón que bombee sangre para distribuir nutrientes, así que dependen de la evaporación para mover los nutrientes desde las raíces hacia arriba
También recuerdo estudios que decían que los árboles emiten una especie de niebla al aire, y me da la impresión de que las hojas verdes podrían ayudar en ese proceso
No entiendo bien qué significa esto en términos termodinámicos
¿No está fijada la energía por unidad de masa necesaria para convertir agua líquida en vapor? No veo por qué importaría si esa energía viene de la luz o de otra cosa
Normalmente, la evaporación ocurre cuando moléculas individuales de agua obtienen suficiente energía térmica para romper los enlaces intermoleculares, escapar del volumen de líquido y pasar al aire
En este caso, encontraron evidencia sólida de que se están removiendo grupos de varias moléculas de agua unidas. En esos grupos, los enlaces intermoleculares todavía no se han roto, así que se necesita menos energía térmica para que entren al aire que en la evaporación de moléculas individuales. Después, esos grupos se separan en el aire, absorben energía térmica del aire y reducen ligeramente la temperatura del aire a unos pocos milímetros por encima de la superficie de la muestra
Que la evaporación ocurra en forma de grupos moleculares es algo extraño y muy distinto de la evaporación normal. Antes de que esos grupos se separen en moléculas individuales, ni siquiera estoy seguro de que pueda considerarse vapor de agua completo, así que tampoco estoy seguro de que deba llamarse evaporación
O sea, se evapora mucho más rápido de lo esperado si uno piensa solo en energía por unidad de masa
Como si los fotones golpearan moléculas que ya están a punto de pasar al estado gaseoso, y eso bastara para convertirlas en una especie de neblina. No sería que el agua se calienta y luego sale disparada, sino más bien que es empujada hacia el lado gaseoso, como en un humidificador
El artículo distingue entre luz y “calor”, pero en el contexto de este experimento se trata más bien de una diferencia en cómo se entrega la energía. La diferencia es entre calentar todo el volumen de agua o iluminarla para que la luz interactúe con moléculas individuales de agua
En términos prácticos, podría aumentar la eficiencia de la evaporación. Cuando calientas toda el agua, las pérdidas son grandes y una parte importante de la energía de entrada no termina en el agua. Si se pueden encontrar longitudes de onda específicas que interactúen fuertemente con el agua y provoquen evaporación, se podría reducir mucho la energía de entrada que se pierde en el proceso
Desde mi entendimiento de no especialista: ¿podría estar relacionado con el espectro de absorción electromagnética del agua?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
La longitud de onda “verde” de la que habla el artículo parece estar justo cerca del punto de menor absorción. Si es así, ¿significaría eso que el calor es resultado de una resistencia electromagnética? Como cuando las microondas hacen vibrar las moléculas de agua
De forma parecida, los protectores solares químicos absorben ciertas longitudes de onda con distintos enlaces, vibran y convierten la radiación UV en calor
El artículo relacionado es “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit” (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120
Propone como hipótesis un efecto fotomolecular en el que la tasa de evaporación alcanza su máximo en la longitud de onda verde de 520 nm, la temperatura del vapor baja bajo la luz y grupos de moléculas de agua se desprenden de la superficie. Consideran que esto podría afectar a la naturaleza, el clima y el crecimiento de las plantas, además de tecnologías de agua limpia y energía
Me pregunto si la fotónica integrada de bajo costo podría ayudar en cosas como la desalinización o la esterilización. También hay varios métodos de fotónica integrada con distintos costos de producción: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
Está realmente genial, pero me confunde por qué no se descubrió por accidente antes
Incluso con cálculos aproximados parecería bastante evidente, ¿o tendrá más que ver con las propiedades especiales del hidrogel que usaron?
Contaba cómo las mediciones de la carga del electrón fueron mejorando poco a poco: si un número salía muy por encima del valor de Millikan, asumían que algo estaba mal y encontraban una razón; si estaba cerca del valor de Millikan, lo cuestionaban menos. Entonces pasaban cosas como descartar los números que se alejaban demasiado, y que hoy en día hemos aprendido esas mañas y sufrimos menos de ese mal
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
Esto pasa todo el tiempo en química, ciencia de materiales y física de la materia condensada. Hay infinitas formas de combinar cosas, y solo algunas resultan interesantes. Aislar este tipo de fenómeno requiere mucho trabajo manual
Hay dos cosas que no aparecieron en el artículo, pero que seguramente consideraron en alguna parte, y me dan curiosidad
Qué tan distinta es la fuerza de enlace entre las moléculas de agua rodeadas de agua y el agua dentro del hidrogel, y cuál sería la diferencia de presión parcial entre una superficie de agua pura expuesta al aire y una superficie agua-hidrogel expuesta al aire
Parece que hace falta una investigación de seguimiento muy interesante
Creo que aquí hay un malentendido. Este estudio encontró un mecanismo desconocido por el cual el agua, cuando está en la capa límite del hidrogel, absorbe luz que normalmente no absorbería y por eso se evapora más rápido que si simplemente se calentara
Si no es un error ni una reacción secundaria no sostenible, podría abaratar tareas que requieren evaporación, como la desalinización
Pero parece que mucha gente lo interpreta como si implicara una violación de la conservación de la energía
Me pregunto cuánto falta para que alguien descubra cómo usar este efecto para hacer una bomba de calor
Como no haría falta un compresor, da la impresión de que una “bomba de calor fotomolecular” podría ser más fácil de miniaturizar. También me pregunto si otros solventes o refrigerantes podrían ser fluidos de trabajo más eficientes que el agua; está realmente interesante
Supongo que la idea es usar el efecto fotomolecular para hervir el refrigerante en el evaporador de la bomba de calor, pero la ebullición es un proceso en masa que ocurre cuando la temperatura del fluido sube lo suficiente como para que empiecen a romperse todos los enlaces intermoleculares. La evaporación es un proceso de superficie en el que algunas moléculas escapan aleatoriamente de esos enlaces intermoleculares y se mezclan con el aire alrededor. A pesar del nombre, lo que ocurre en el evaporador de una bomba de calor no es evaporación sino ebullición
El efecto fotomolecular no provoca ebullición, solo evaporación. Y tampoco querrías que hubiera evaporación real en el evaporador. Necesitarías aire, y entonces tendrías que comprimir mucho aire junto con el refrigerante, desperdiciando mucha energía
Lo primero que se me ocurrió fue una aplicación en torres de enfriamiento. Las torres de enfriamiento enfrían varios fluidos de proceso mediante la evaporación del agua. Pero en una torre de enfriamiento quieres que la evaporación absorba calor del agua y baje su temperatura. Este efecto usa la luz y el calor del aire, así que en realidad reduce la cantidad de calor absorbida del agua
Si llega a tener una aplicación de ingeniería, probablemente será en procesos de secado o desalinización pasiva, donde el objetivo final sí es la evaporación del agua en sí
Gang Chen es la persona que recientemente fue difamada y procesada injustamente por el gobierno de Estados Unidos en relación con una colaboración de investigación en China
Qué bueno verlo recuperarse
Hilo relacionado en curso: Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574