Un dispositivo da laboratorio progettato per misurare l’”effetto fotomolecolare”, utilizzando raggi laser.
Il sorprendente “effetto fotomolecolare” scoperto dai ricercatori del MIT potrebbe influenzare i calcoli del cambiamento climatico e portare a un miglioramento dei processi di desalinizzazione ed essiccazione
È il processo più fondamentale: l'evaporazione dell'acqua dalle superfici degli oceani e dei laghi, la combustione della nebbia al sole del mattino e l'essiccazione degli stagni salmastri che lasciano dietro di sé sale solido. L’evaporazione è ovunque intorno a noi e gli esseri umani la osservano e la sfruttano da quando esistono. Eppure, a quanto pare, ci siamo persi una parte importante del quadro.
In una serie di esperimenti minuziosamente precisi, un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha dimostrato che il calore non è il solo a causare l'evaporazione dell'acqua. La luce, colpendo la superficie dell'acqua dove l'aria e l'acqua si incontrano, può rompere le molecole d'acqua e farle galleggiare nell'aria, provocando l'evaporazione in assenza di qualsiasi fonte di calore.
La sorprendente nuova scoperta potrebbe avere una vasta gamma di implicazioni significative. Potrebbe aiutare a spiegare le misteriose misurazioni effettuate nel corso degli anni su come la luce solare influisce sulle nuvole, e quindi influenzare i calcoli degli effetti dei cambiamenti climatici sulla copertura nuvolosa e sulle precipitazioni. Potrebbe anche portare a nuovi modi di progettare processi industriali come la desalinizzazione a energia solare o l’essiccazione dei materiali.
I risultati, e le diverse linee di prova che dimostrano la realtà del fenomeno e i dettagli di come funziona, sono descritti oggi sulla rivista PNAS (1), in un articolo di Carl Richard Soderberg, professore di ingegneria energetica, Gang Chen (2), postdoc Guangxin Lv e Yaodong Tu, e lo studente laureato James Zhang.
Gli autori affermano che l’effetto dovrebbe verificarsi ampiamente in natura – ovunque, dalle nuvole alla nebbia, fino alla superficie degli oceani, del suolo e delle piante – e che potrebbe anche portare a nuove applicazioni pratiche, anche nella produzione di energia e acqua pulita. «Penso che questo abbia molte applicazioni», afferma Chen. «Stiamo esplorando tutte queste diverse direzioni. E, naturalmente, influisce anche sulla scienza di base, come gli effetti delle nuvole sul clima, perché le nuvole sono l’aspetto più incerto dei modelli climatici».
Un fenomeno ritrovato
Il nuovo lavoro si basa sulla ricerca riportata l’anno scorso (3), che descriveva questo nuovo “effetto fotomolecolare” ma solo in condizioni molto specializzate: sulla superficie di idrogel appositamente preparati imbevuti di acqua. Nel nuovo studio, i ricercatori dimostrano che l’idrogel non è necessario per il processo; si verifica su qualsiasi superficie dell'acqua esposta alla luce, sia che si tratti di una superficie piana come uno specchio d'acqua o di una superficie curva come una gocciolina di vapore di una nuvola.
Poiché l’effetto era così inaspettato, il team ha lavorato per dimostrarne l’esistenza con quante più prove possibili. In questo studio, riportano 14 diversi tipi di test e misurazioni effettuati per stabilire che l'acqua stava effettivamente evaporando - cioè, le molecole d'acqua venivano staccate dalla superficie dell'acqua e disperse nell'aria - a causa della sola luce, non dal calore, che per lungo tempo si è ritenuto fosse l’unico meccanismo coinvolto.
Un indicatore chiave, che è emerso in modo coerente in quattro diversi tipi di esperimenti in condizioni diverse, si è palesato quando l'acqua ha iniziato ad evaporare da un contenitore di prova sotto la luce visibile, la temperatura dell'aria misurata sopra la superficie dell'acqua si è raffreddata e poi si è stabilizzata, mostrando che quell'energia termica non era la forza trainante dell'effetto.
Altri indicatori chiave emersi includevano il modo in cui l’effetto di evaporazione variava a seconda dell’angolo della luce, del colore esatto della luce e della sua polarizzazione. Nessuna di queste caratteristiche variabili dovrebbe verificarsi perché a queste lunghezze d’onda l’acqua difficilmente assorbe la luce – eppure i ricercatori le hanno osservate.
L'effetto è più forte quando la luce colpisce la superficie dell'acqua con un angolo di 45 gradi. È anche più forte con un certo tipo di polarizzazione, chiamata polarizzazione magnetica trasversale. E raggiunge il picco nella luce verde, che, stranamente, è il colore per il quale l’acqua è più trasparente e quindi interagisce di meno.
Chen e i suoi colleghi hanno proposto un meccanismo fisico che può spiegare la dipendenza dell’effetto dall’angolo e dalla polarizzazione, dimostrando che i fotoni della luce possono impartire una forza netta sulle molecole d’acqua sulla superficie dell’acqua, sufficiente a staccarle dalla superficie. Tuttavia, non possono ancora spiegare la dipendenza dal colore, che secondo loro richiederà ulteriori studi.
Lo hanno chiamato effetto fotomolecolare, per analogia con l'effetto fotoelettrico scoperto da Heinrich Hertz nel 1887 e spiegato infine da Albert Einstein nel 1905. Quell'effetto fu una delle prime dimostrazioni che la luce ha anche caratteristiche particellari, il che ebbe importanti implicazioni in fisica e ha portato a un'ampia varietà di applicazioni, compresi i LED. Proprio come l’effetto fotoelettrico libera elettroni dagli atomi in un materiale in risposta all’essere colpiti da un fotone di luce, l’effetto fotomolecolare mostra che i fotoni possono liberare intere molecole da una superficie liquida, dicono i ricercatori.
«La scoperta dell’evaporazione causata dalla luce invece che dal calore fornisce nuove conoscenze dirompenti sull’interazione luce-acqua», afferma Xiulin Ruan (4), professore di ingegneria meccanica alla Purdue University, che non è stato coinvolto nello studio. «Potrebbe aiutarci a comprendere meglio come la luce solare interagisce con le nuvole, la nebbia, gli oceani e altri corpi idrici naturali influenzando il tempo e il clima. Ha un potenziale significativo per applicazioni pratiche come la desalinizzazione dell’acqua ad alte prestazioni alimentata dall’energia solare. Questa ricerca rientra nel raro gruppo di scoperte veramente rivoluzionarie che non sono subito ampiamente accettate dalla comunità ma richiedono tempo, a volte molto tempo, per essere confermate».
Risolvere un enigma del cloud
La scoperta potrebbe risolvere un mistero di 80 anni nella scienza del clima. Le misurazioni di come le nuvole assorbono la luce solare hanno spesso dimostrato che assorbono più luce solare di quanto la fisica convenzionale imponga possibile. L’ulteriore evaporazione causata da questo effetto potrebbe spiegare la discrepanza di lunga data, che è stata oggetto di controversia poiché tali misurazioni sono difficili da effettuare.
Secondo il dottor Gang Chen, «Questi esperimenti si basano su dati satellitari e dati di volo. Fanno volare un aereo sopra e sotto le nuvole e ci sono anche dati basati sulla temperatura dell’oceano e sul bilancio delle radiazioni. E tutti concludono che c’è più assorbimento da parte delle nuvole di quanto la teoria possa calcolare. Tuttavia, a causa della complessità delle nuvole e delle difficoltà nell’effettuare tali misurazioni, i ricercatori hanno discusso se tali discrepanze siano reali o meno. E quello che abbiamo scoperto suggerisce che esiste un altro meccanismo per l’assorbimento delle nuvole, di cui non si è tenuto conto, e questo meccanismo potrebbe spiegare le discrepanze».
Il professor Chen dice di aver recentemente parlato del fenomeno ad una conferenza dell'American Physical Society, e un fisico che studia le nuvole e il clima ha detto di non aver mai pensato a questa possibilità, che potrebbe influenzare i calcoli dei complessi effetti delle nuvole sul clima. Il team ha condotto esperimenti utilizzando LED che brillavano su una camera a nebbia artificiale e hanno osservato il riscaldamento della nebbia, che non avrebbe dovuto verificarsi poiché l’acqua non viene assorbita nello spettro visibile. «Tale riscaldamento può essere spiegato più facilmente in base all’effetto fotomolecolare», afferma.
Il dottor Guangxin Lv afferma che tra le numerose prove, «la regione piatta nella distribuzione della temperatura lato aria sopra l’acqua calda sarà la più facile da riprodurre per le persone. Quel profilo di temperatura “è una firma” che dimostra chiaramente l’effetto», dice.
Zhang aggiunge: «È piuttosto difficile spiegare come si verifica questo tipo di profilo di temperatura piatto senza invocare qualche altro meccanismo» oltre alle teorie accettate dell’evaporazione termica. «Collega insieme ciò che molte persone riportano nei loro dispositivi di desalinizzazione solare», che ancora una volta mostrano tassi di evaporazione che non possono essere spiegati dall’apporto termico.
«L'effetto può essere sostanziale. Nelle condizioni ottimali di colore, angolo e polarizzazione», afferma Lv, «il tasso di evaporazione è quattro volte il limite termico».
Già dalla pubblicazione del primo articolo, il team è stato contattato da aziende che sperano di sfruttare l’effetto, dice Chen, anche per far evaporare lo sciroppo e asciugare la carta in una cartiera. Le prime applicazioni più probabili arriveranno nei settori dei sistemi di desalinizzazione solare o di altri processi di essiccazione industriale, dice. «L’essiccazione consuma il 20% dell’intero consumo energetico industriale», sottolinea il ricercatore.
Poiché l’effetto è così nuovo e inaspettato, dice Chen, «Questo fenomeno dovrebbe essere molto generale, e il nostro esperimento è in realtà solo l’inizio». Gli esperimenti necessari per dimostrare e quantificare l'effetto richiedono molto tempo. «Ci sono molte variabili, dalla comprensione dell'acqua stessa, all'estensione ad altri materiali, altri liquidi e persino solidi», afferma.
«Le osservazioni nel manoscritto indicano un nuovo meccanismo fisico che altera radicalmente il nostro pensiero sulla cinetica dell'evaporazione», afferma Shannon Yee (5), professore associato di ingegneria meccanica alla Georgia Tech, che non era associato a questo lavoro. E aggiunge: «Chi avrebbe mai pensato che stiamo ancora imparando qualcosa di così quotidiano come l'evaporazione dell'acqua?»
«Penso che questo lavoro sia molto significativo dal punto di vista scientifico perché presenta un nuovo meccanismo», afferma l'illustre professoressa Janet A. W. Elliott (6) dell'University of Alberta, anch'essa non associata a questo lavoro. «Potrebbe anche rivelarsi importante dal punto di vista pratico per la tecnologia e la nostra comprensione della natura, perché l’evaporazione dell’acqua è onnipresente e l’effetto sembra fornire tassi di evaporazione significativamente più elevati rispetto al meccanismo termico noto. … La mia impressione generale è che questo lavoro sia eccezionale. Sembra che sia stato fatto con attenzione, con molti esperimenti precisi che si supportano a vicenda».
Il lavoro è stato in parte sostenuto da un MIT Bose Award. Gli autori stanno attualmente lavorando su come sfruttare questo effetto per la desalinizzazione dell’acqua, in un progetto finanziato dall’Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab e dal programma MIT-UMRP.
Riferimenti:
(1) Photomolecular effect: Visible light interaction with air–water interface
(2) Gang Chen
(3) In a surprising finding, light can make water evaporate without heat
(4) Xiulin Ruan
(5) Shannon Yee
Descrizione foto: I ricercatori del MIT hanno scoperto un nuovo fenomeno: la luce può provocare l'evaporazione dell'acqua dalla sua superficie senza bisogno di calore. Nella foto è raffigurato un dispositivo da laboratorio progettato per misurare l’ ”effetto fotomolecolare”, utilizzando raggi laser. - Credit: Bryce Vickmark.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: How light can vaporize water without the need for heat