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Pesquisadores do MIT descobriram que a evaporação pode ocorrer através da exposição à luz, não apenas ao calor. Este processo, observado em várias superfícies de água, tem implicações profundas para a modelação climática e para tecnologias inovadoras, como a purificação de água acionada por energia solar. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
COM pesquisadores descobriram que a luz pode induzir a evaporação, e não apenas o calor, demonstrando isso em várias superfícies de água naturais e sintéticas. Esta descoberta poderá impactar a modelagem climática e levar a inovações em energia solar e tecnologias de purificação de água.
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.
Descoberta de evaporação induzida por luz
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.
Pesquisadores do MIT descobriram um novo fenômeno: 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
As descobertas e as diversas linhas de evidência que demonstram a realidade do fenômeno e os detalhes de como ele funciona são descritas hoje na revista PNAS, em um papel por 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, também afecta a ciência básica, como os efeitos das nuvens no clima, porque as nuvens são o aspecto mais incerto dos modelos climáticos.”
Um fenômeno recém-descoberto
O novo trabalho baseia-se na investigação relatada no ano passado, que descreveu este novo “efeito fotomolecular”, mas apenas sob condições muito especializadas: na superfície de hidrogéis especialmente preparados 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 soltas 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.
Os autores dizem que seu estudo sugere que o efeito fotomolecular deve acontecer amplamente na natureza, desde nuvens a nevoeiros, do oceano às superfícies do solo e à transpiração das plantas. “Acho que isso tem muitas aplicações”, diz Gang Chen, retratado no centro. Chen está ao lado dos autores Guangxin Lv, à esquerda, e James Zhang. O autor Yaodong Tu não aparece na foto. Crédito: Bryce Vickmark
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, menos interage.
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 sobre as 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.
“Estamos explorando todas essas direções diferentes”, diz Chen. “E é claro que também afecta a ciência básica, como os efeitos das nuvens no clima, porque as nuvens são o aspecto mais incerto dos modelos climáticos.” Crédito: Bryce Vickmark
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 da 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 interação 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 as nuvens, o nevoeiro, os 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.”
Como o efeito é tão novo e inesperado, diz Chen, “este fenómeno deve ser muito geral e a nossa experiência é, na verdade, apenas o começo”. Crédito: Bryce Vickmark
Resolvendo um enigma na 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 há 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. Porém, devido à complexidade das nuvens e às dificuldades de fazer tais medições, os pesquisadores têm debatido se tais discrepâncias são reais ou não. E o que descobrimos sugere que existe 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 pelo 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 surge este tipo de perfil de temperatura plana sem invocar algum outro mecanismo” além das teorias aceitas de evaporação térmica. “Isso reúne 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”.
Aplicações Práticas e Pesquisas Futuras
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 uso de energia industrial”, ressalta.
Como o efeito é tão novo e inesperado, Chen diz: “Este fenómeno deve ser muito geral e a nossa experiência é, na verdade, 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”, afirma.
“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. Ele acrescenta: “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”, diz Janet AW Elliott, ilustre professora da Universidade de Alberta, que também não esteve associada 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. … Minha impressão geral é que este trabalho é excelente. Parece ter sido feito cuidadosamente com muitos experimentos precisos que apoiam uns aos outros.”
Referência: “Efeito fotomolecular: interação da luz visível com interface ar-água” por Guangxin Lv, Yaodong Tu, James H. Zhang e Gang Chen, 23 de abril de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2320844121
O trabalho foi parcialmente apoiado por um prêmio MIT Bose. Os autores estão atualmente trabalhando em maneiras de aproveitar esse efeito para a dessalinização da água, em um projeto financiado pelo Laboratório de Sistemas de Água e Alimentos Abdul Latif Jameel e pelo programa MIT-UMRP.
