“Gang Chen” Ricerca Straordinaria Sulla Luce che fa Evaporare l’Acqua Senza Riscaldarla

Come non amare la scienza, ma quella vera, non quella sviluppata da un branco di criminali che si prodiga a spacciare lucciole per lanterne! (Toba60)

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La luce può far evaporare l’acqua direttamente senza riscaldarla

In determinate condizioni, la luce può far evaporare l’acqua direttamente, senza riscaldarla prima. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti hanno battezzato questo processo “effetto fotomolecolare”, in analogia con il noto effetto fotoelettrico.

ll’interfaccia acqua-aria, la luce può, in determinate condizioni, di indurre l’evaporazione senza il bisogno di calore, secondo un nuovo studio dai ricercatori al MIT.

“La saggezza convenzionale vuole che l’evaporazione richieda calore, ma il nostro lavoro dimostra che esiste un altro meccanismo di evaporazione”, spiega il nanotecnologo e ingegnere meccanico del MIT Gang Chen, che ha guidato la ricerca. Chen aggiunge che il nuovo effetto può essere più efficiente del calore e potrebbe quindi essere utile nei sistemi di desalinizzazione solare e in altre tecnologie che utilizzano la luce per far evaporare l’acqua.

Una svolta inaspettata

Dal 2014 Chen e colleghi studiano l’evaporazione dovuta alle interazioni tra la luce solare e le superfici dei materiali. Poiché l’acqua non assorbe da sola molta luce visibile, i loro primi studi prevedevano la dispersione di un materiale nero, poroso e in grado di assorbire la luce nel loro contenitore d’acqua per favorire la conversione della luce solare in calore.

“Avevamo ipotizzato che si trattasse di un processo di evaporazione termica: la luce solare viene assorbita e convertita in calore, che successivamente fa evaporare l’acqua”, spiega Chen.

Tuttavia, le cose hanno preso una piega inaspettata nel 2018, quando un altro gruppo di ricercatori guidati da Guihua Yu presso l’University of Texas at Austin, negli Stati Uniti, ha ripetuto questo esperimento con un idrogel nero (un materiale che trattiene l’acqua). Hanno scoperto che il tasso di evaporazione termica del materiale era due volte più veloce di quello che avrebbe dovuto essere, data la quantità totale di energia termica ricevuta dal campione e assumendo che il meccanismo stabilito fosse l’unico in funzione.

Nel 2019, Chen ha chiesto a un nuovo ricercatore post-dottorato del suo gruppo, Yaodong Tu, di ripetere gli esperimenti di Yu. All’inizio i ricercatori del MIT hanno faticato a realizzare campioni funzionanti. Alla fine, con l’aiuto dei membri del gruppo di Yu, sono riusciti a confermare i risultati dell’équipe della UT Austin. Tuttavia, non sono stati convinti dalla spiegazione suggerita dall’équipe, secondo cui l’acqua nell’idrogel nero potrebbe avere un calore latente molto più basso dell’acqua normale.

“Sospettavo che ci fossero effetti fotonici in gioco, così abbiamo utilizzato diodi a emissione luminosa (LED) per studiare come la lunghezza d’onda della luce utilizzata per illuminare i campioni influenzasse la velocità di evaporazione dell’acqua”, spiega Chen. “Abbiamo effettivamente osservato una dipendenza dalla lunghezza d’onda e strane distribuzioni di temperatura nell’aria che implicano alcuni effetti fotonici, ma non siamo riusciti a trovare un quadro fisico ragionevole per spiegare questi risultati”.

Un’utile analogia

I ricercatori del MIT hanno trascorso un anno e mezzo a studiare la possibilità di ridurre il calore latente, ma i loro esperimenti hanno dato risultati negativi. Nel frattempo, però, sono venuti a conoscenza del fatto che anche altri gruppi di ricerca stavano registrando un’evaporazione supertermica con diversi materiali, compresi quelli inorganici.

“A metà del 2021, mi sono reso conto che l’unica cosa in comune tra tutti questi esperimenti era l’aumento della superficie tra l’interfaccia dell’acqua e quella dell’aria”, racconta Chen a Physics World. “Mi sono quindi chiesto se il responsabile fosse un effetto di superficie ed è qui che è entrata in gioco l’analogia fotoelettrica”.

Come spiegò Albert Einstein nel 1905, l’effetto fotoelettrico si verifica quando la luce che brilla su un materiale contiene abbastanza energia (quantizzata) da espellere un elettrone dal materiale stesso. Per analogia, basandosi sulla sua comprensione delle equazioni di Maxwell e sulla natura polare delle molecole d’acqua, Chen ha ipotizzato che l’impulso alla base delle osservazioni del suo team possa essere rappresentato da una forza di quadrupolo che agisce su un dipolo permanente all’interfaccia aria-acqua.

Sebbene la teoria di Chen fosse ancora allo stadio di “manipolazione”, essa ha comunque guidato i ricercatori del MIT nella riprogettazione dei loro esperimenti. Il successo è arrivato quando sono riusciti a dimostrare che, mentre né l’acqua pura né gli idrogeli studiati assorbono la luce visibile, gli idrogeli parzialmente bagnati lo fanno.

Gli esperimenti del 2019 spiegati

“Gli esperimenti successivi sull’evaporazione da un idrogel di PVA puro, da un idrogel con assorbitori neri e da un idrogel pulito rivestito di carta carbone nera hanno dato tutti esito positivo”, spiega Chen. “Con l’idea che la luce visibile possa scindere i cluster molecolari di acqua, siamo riusciti a spiegare anche gli esperimenti del 2019″.

Nei processi fotomolecolari, un fotone stacca un cluster di molecole d’acqua dall’interfaccia acqua-aria. Rispetto all’evaporazione termica, che fa evaporare le molecole d’acqua una per una e ha quindi bisogno di energia per rompere i legami tra le molecole d’acqua, l’evaporazione fotomolecolare è quindi più efficiente del solo calore.

chen

Chen ritiene che questo nuovo meccanismo, che lui e i suoi colleghi descrivono in PNAS, potrebbe essere in gioco nella nostra vita quotidiana. “Potrebbe essere importante, ad esempio, per capire il ciclo dell’acqua sulla Terra, il riscaldamento globale e la crescita delle piante”, spiega. “La scoperta potrebbe anche portare a nuove applicazioni ingegneristiche: abbiamo iniziato a studiare la desalinizzazione e il trattamento delle acque reflue, ma l’essiccazione potrebbe essere un’altra area in cui questo meccanismo potrebbe essere sfruttato”. Poiché l’essiccazione consuma circa il 20% dell’energia utilizzata nei settori industriali – una quantità che Chen definisce “impressionante” – un aumento dell’efficienza energetica potrebbe avere un impatto significativo.

In prospettiva, i ricercatori affermano che vorrebbero rafforzare le prove a favore del meccanismo da loro proposto e iniziare a quantificare l’effetto. “A questo scopo abbiamo condotto molti esperimenti su singole interfacce acqua-aria e abbiamo anche eseguito esperimenti sulle nuvole per dimostrare che questo meccanismo potrebbe esistere anche nel ciclo dell’acqua atmosferica”, rivela Chen. “L’effetto potrebbe esistere anche in altri materiali oltre agli idrogel e speriamo che il nostro lavoro attiri l’attenzione di altri ricercatori che vorranno studiarlo ulteriormente”.

Isabelle Dumé

Fonte: physicsworld.com

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