光は熱を与えずに水を蒸発させることができます

新たに特定されたプロセスは、さまざまな自然現象を説明し、水の淡水化への新しいアプローチを可能にする可能性があります。

体を冷やす汗から朝日に燃える露まで、蒸発は私たちの周りで常に起こっています。 しかし、この遍在的なプロセスに対する科学の理解は、これまでずっとその一部が欠けていたのかもしれません。

近年、一部の研究者は、実験でヒドロゲルとして知られるスポンジ状の材料に含まれていた水が、熱量や熱量によって説明できるよりも速い速度で蒸発していることを発見して困惑しています。エネルギー。 、水が受けていたこと。 黒字額は大きく、理論上の最大金利の2倍、あるいは3倍以上だった。

MITの研究によると、水と空気が相互作用すると、特定の条件下では光が熱を必要とせずに蒸発を引き起こす可能性があるという。

光誘起蒸発の検出

一連の新しい実験とシミュレーションを実施し、熱限界を超えたと主張するさまざまなグループの結果を再検討した後、研究者チームは次の結論を下しました… マサチューセッツ工科大学 彼は驚くべき結果に達した。特定の条件下では、水と空気が出会う界面で、光は熱を必要とせずに直接蒸発を引き起こすことができ、実際、熱よりも効率的に蒸発を引き起こすことができる。 これらの実験では、水がヒドロゲル内に閉じ込められましたが、この現象は他の状況でも同様に発生する可能性があると研究者らは指摘しています。

結果は今週、次の論文で発表されます。 人と、MIT博士研究員Yaodong Tu氏、機械工学教授Gang Chen氏、その他4名による。

研究者らは研究室で、スポンジ状の薄膜ネットワークに結合した水から主に構成されるゼリー状のマトリックスであるヒドロゲルの表面を観察した。 これらの画像は、調製されたヒドロゲルのサンプルを示しています。上の行は凍結状態 (A) または乾燥状態 (C、E、G) を示し、下の行は「膨潤状態」を示します。 クレジット: 研究者提供

この現象は、霧や雲の形成と進化に役割を果たしている可能性があるため、それを気候モデルに組み込んで改善することが重要です。 正確さ研究者らは言う。 これは、太陽熱による淡水化などの多くの工業プロセスで重要な役割を果たす可能性があり、最初に太陽光を熱に変換するステップの代替手段となる可能性があります。

研究への影響

水自体は光をあまり吸収しないため、この新しい結果は驚くべきものでした。 それが、何フィートものきれいな水を通して下の表面をはっきりと見ることができる理由です。 そのため、チームが最初に淡水化のための太陽光蒸発プロセスの調査を開始したとき、彼らはまず、太陽光を熱に変換するのを助けるために、水の入ったボウルに黒色の光吸収材料の粒子を置きました。

その後、研究チームは、熱の保存などの基本的な物理原理に基づいて、熱限界蒸発率の 2 倍を達成した別のグループの研究に出会いました。 エネルギーの。 これらの実験では、水がヒドロゲルに結合しました。 最初は懐疑的でしたが、Chen と Tu は、他のグループの材料の一部も含めて、ヒドロゲルを使った独自の実験を開始しました。

「ソーラーシミュレーターでテストしたところ、うまくいきました」とチェン氏は言い、異常に高い蒸発率を裏付けた。 「だから、私たちは今、彼らを信じています。」 その後、Chen と Tu は独自のヒドロゲルの作成とテストを開始しました。

彼らは、過剰な蒸発は光自体によって引き起こされ、光の光子が実際に水の表面から水分子のビームを放出しているのではないかと疑い始めました。 この効果は、水と空気の間の境界層、ヒドロゲル材料の表面でのみ発生しますが、場合によっては海の表面や雲や霧の中の水滴の表面でも発生します。

研究室では、薄膜のスポンジ状のネットワークに結合した水で主に構成されるゼリー状のマトリックスであるヒドロゲルの表面を観察しました。 彼らは、正確に制御された波長で模擬太陽光に対する反応を測定しました。

ガラス上の白い凝縮ジェットは、熱を使わずに緑色の光を使用してヒドロゲルから蒸発した水です。 クレジット: 研究者提供

研究者らは水面に異なる色の光を連続的に照射し、蒸発速度を測定した。 彼らは、水を満たしたヒドロゲルの容器を秤の上に置き、蒸発によって失われる質量の量を直接測定し、ヒドロゲルの表面上の温度を監視することによってこれを行った。 ライトは過熱を防ぐために遮蔽されていました。 研究者らは、その効果が緑色光の色と特定の波長のピークに応じて異なることを発見しました。 この色への依存は温度とは何の関係もないため、少なくとも一部の蒸発を引き起こすのは光そのものであるという考えが裏付けられます。

研究者らは、光を使わずに電気を使って材料を加熱するという点を除き、同じ設定で観察された蒸発速度を再現しようと試みました。 入熱量は他のテストと同じでしたが、蒸発した水の量は熱限界を超えることはありませんでした。 ただし、太陽光シミュレーションの実行中にそれが行われ、過剰な蒸発の原因が光であることが確認されました。

水自体はヒドロゲル自体ほど多くの光を吸収しませんが、この 2 つが一緒になると強力な吸収体になるとチェン氏は言います。 これにより、材料は吸収のために暗い顔料を必要とせずに、太陽の光子のエネルギーを効率的に利用し、熱限界を超えることができます。

潜在的なアプリケーションと継続的なコラボレーション

彼らが光分子効果と呼ぶこの効果を発見した研究者たちは、現在、それを現実世界のニーズにどのように適用するかに取り組んでいます。 彼らは、この現象を利用して太陽光発電の淡水化システムの効率を向上させる研究のためにマサチューセッツ工科大学のアブドゥル・ラティフ・ジャミール水・食品システム研究所から助成金を受け取り、気候変動モデリングにおけるこの現象の影響を調査するためにボーズの助成金を受けました。

標準的な脱塩プロセスでは、「脱塩プロセスは通常 2 つのステップで構成されます。まず水を蒸発させて蒸気にし、次に蒸気を凝縮して液化して淡水にする必要があります。」と Tu 氏は説明します。 この発見により、おそらく「蒸発側で高い効率を達成できるようになる」だろうと彼は言う。 このプロセスは、材料の乾燥を必要とするプロセスにも応用できます。

チェン氏は、原理的には、現在1平方メートルあたり1.5キログラムである太陽光淡水化によって生成される最大水量を、この光ベースのアプローチを使用して最大3〜4倍に増やすことが可能である可能性があると信じていると述べています。 「これは実際に安価な水の淡水化につながる可能性があります」と彼は言います。

Tu氏は、相変化を利用して高効率の太陽冷却システムを提供することで、この現象を蒸発冷却プロセスでも利用できる可能性があると付け加えた。

同時に、研究者らは、予期せぬ結果とそれを説明するために進められた仮説に直面する懐疑を克服することを期待して、結果を再現しようとしている他のグループと緊密に協力している。

参考文献: 「熱限界を超えた水の蒸発につながる合理的な光分子効果」Yaodong Tu、Jiawei Zhou、Xiaoting Lin、Mohamed Al-Sharrah、Xuan Zhao、および Zhang Chen 著、2023 年 10 月 30 日、 米国科学アカデミーの議事録。
土井: 10.1073/pnas.2312751120

研究チームには、MIT 機械工学部の Jiawei Zhou 氏、Shaoting Lin 氏、Mohamed Al-Sharrah 氏、Xuanhe Zhao 氏も含まれています。