- Sự bay hơi của nước thường được giải thích bằng đầu vào nhiệt, nhưng các nhà nghiên cứu MIT kết luận rằng ánh sáng có thể trực tiếp gây bay hơi tại bề mặt phân cách nơi nước và không khí tiếp xúc
- Nước bị giữ trong hydrogel đã bay hơi nhanh hơn gấp 2, gấp 3 lần hoặc hơn so với giới hạn nhiệt trong các thí nghiệm trước đây, và nhóm MIT đã xác nhận điều này bằng các thí nghiệm mới, mô phỏng và việc xem xét lại các kết quả hiện có
- Khi chiếu ánh sáng theo từng màu, tốc độ bay hơi thay đổi theo bước sóng và đạt đỉnh ở bước sóng xanh lục; khi cung cấp cùng một đầu vào nhiệt bằng gia nhiệt điện, nó không vượt qua được giới hạn
- Các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng này là photomolecular effect và đang nghiên cứu cách ứng dụng vào các quy trình khử mặn bằng năng lượng mặt trời, sấy khô và làm mát bay hơi
- Vì hiện tượng này cũng có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và tiến hóa của sương mù và mây, độ chính xác của mô hình khí hậu và việc kiểm chứng tái lập bởi các nhóm nghiên cứu khác vẫn là những nhiệm vụ quan trọng
Một yếu tố có thể đã bị bỏ sót trong hiểu biết về sự bay hơi của nước
- Bay hơi là hiện tượng quen thuộc, như sự làm mát nhờ mồ hôi hay sương tan dưới ánh nắng buổi sáng, nhưng hiểu biết khoa học về quá trình này có thể đã có khoảng trống
- Trong vài năm gần đây, một số nhà nghiên cứu đã quan sát thấy nước chứa trong hydrogel, một vật liệu dạng bọt biển, bay hơi nhanh hơn nhiều so với tốc độ có thể giải thích bằng lượng nhiệt nhận được
- Tốc độ bay hơi vượt mức có thể đạt tới 2 lần, hơn 3 lần mức tối đa lý thuyết
- Mức tối đa lý thuyết là lượng bay hơi tối đa có thể đạt được với một đầu vào nhiệt nhất định, theo các nguyên lý vật lý cơ bản như bảo toàn năng lượng
Kết luận và bài báo của nhóm nghiên cứu MIT
- Sau các thí nghiệm và mô phỏng mới, cùng việc xem xét lại kết quả của nhiều nhóm từng báo cáo hiện tượng vượt giới hạn nhiệt, các nhà nghiên cứu MIT kết luận rằng tại bề mặt phân cách giữa nước và không khí, bản thân ánh sáng có thể gây bay hơi
- Trong thí nghiệm, nước nằm bên trong hydrogel, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng hiện tượng này cũng có thể xảy ra trong những điều kiện khác
- Kết quả nghiên cứu được công bố trên bài báo PNAS “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.”
Vì sao đây là một phát hiện đáng ngạc nhiên
- Bản thân nước không hấp thụ nhiều ánh sáng, nên ngay cả ở độ sâu vài mét trong nước sạch vẫn có thể nhìn thấy tương đối rõ
- Ban đầu, khi nghiên cứu quá trình bay hơi trong khử mặn bằng năng lượng mặt trời, các nhà nghiên cứu cũng đã đưa các hạt hấp thụ quang màu đen vào nước để chuyển ánh nắng thành nhiệt
- Sau đó, họ biết đến nghiên cứu của một nhóm khác đạt tốc độ bay hơi cao gấp đôi giới hạn nhiệt trong nước bị giữ trong hydrogel, và ban đầu nhóm MIT tỏ ra hoài nghi
- Chen và Tu bắt đầu các thí nghiệm riêng, bao gồm cả các mảnh hydrogel của nhóm đó, và xác nhận tốc độ bay hơi cao bất thường dưới bộ mô phỏng ánh sáng mặt trời
Phương pháp thí nghiệm và bằng chứng cốt lõi
- Các nhà nghiên cứu quan sát bề mặt của hydrogel giống JELL-O, được cấu thành chủ yếu từ nước và bị giữ trong một mạng lưới dạng bọt biển của màng mỏng
- Họ lần lượt chiếu ánh sáng mặt trời mô phỏng với các bước sóng được kiểm soát chính xác lên bề mặt hydrogel và đo tốc độ bay hơi
- Đặt một bình chứa hydrogel ngậm nước lên cân và đo trực tiếp khối lượng giảm đi do bay hơi
- Đồng thời theo dõi nhiệt độ phía trên bề mặt hydrogel
- Che chắn để ánh sáng không đưa thêm nhiệt vào
- Hiệu ứng bay hơi thay đổi theo màu của ánh sáng và đạt mức cao nhất ở một bước sóng xanh lục cụ thể
- Sự phụ thuộc vào màu sắc khó có thể giải thích chỉ bằng nhiệt, qua đó củng cố cách diễn giải rằng bản thân ánh sáng gây ra một phần quá trình bay hơi
- Khi dùng cùng thiết bị để gia nhiệt vật liệu bằng điện, không có ánh sáng, nhằm cung cấp cùng đầu vào nhiệt, lượng bay hơi không vượt quá giới hạn nhiệt
- Ngược lại, khi bật ánh sáng mặt trời mô phỏng, lượng bay hơi vượt qua giới hạn nhiệt, xác nhận nguyên nhân của phần bay hơi bổ sung là ánh sáng
Giả thuyết mang tên photomolecular effect
- Các nhà nghiên cứu cho rằng photon của ánh sáng có thể trực tiếp tách các cụm phân tử nước ra khỏi bề mặt nước
- Hiệu ứng này chỉ có thể xảy ra tại lớp biên nước-không khí trên bề mặt hydrogel
- Có khả năng hiện tượng tương tự cũng xảy ra trên bề mặt đại dương hoặc bề mặt các giọt nước trong mây và sương mù
- Theo Chen, bản thân nước và bản thân hydrogel không hấp thụ nhiều ánh sáng, nhưng khi kết hợp với nhau, chúng trở thành một chất hấp thụ mạnh
- Sự kết hợp này có thể tận dụng hiệu quả năng lượng của photon ánh sáng mặt trời mà không cần thuốc nhuộm tối màu, qua đó vượt qua giới hạn nhiệt
Khả năng ứng dụng trong khử mặn, sấy khô và làm mát
- Các nhà nghiên cứu gọi hiệu ứng này là photomolecular effect và đang nghiên cứu các phương thức ứng dụng thực tế
- Với sự hỗ trợ của Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab tại MIT, họ đang nghiên cứu cải thiện hiệu suất của hệ thống khử mặn bằng năng lượng mặt trời
- Thông qua Bose Grant, họ đang khám phá tác động của hiện tượng này đối với mô hình hóa biến đổi khí hậu
- Quy trình khử mặn tiêu chuẩn thường gồm hai bước
- Trước tiên, làm nước bay hơi thành hơi nước
- Sau đó ngưng tụ hơi nước để hóa lỏng thành nước ngọt
- Tu cho rằng phát hiện này có thể nâng cao hiệu suất của giai đoạn bay hơi
- Chen cho rằng về nguyên lý, cách tiếp cận dựa trên ánh sáng có thể nâng giới hạn sản xuất nước hiện nay của khử mặn bằng năng lượng mặt trời, là 1,5 kg trên mỗi mét vuông, lên gấp 3–4 lần
- Nó cũng có thể được ứng dụng trong các quy trình cần làm khô vật liệu
- Tu cho rằng hiệu ứng này cũng có tiềm năng sử dụng trong các quy trình làm mát bay hơi, vốn tận dụng chuyển pha để cung cấp hệ thống làm mát bằng năng lượng mặt trời hiệu suất cao
Mô hình khí hậu và kiểm chứng tái lập
- Hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và tiến hóa của sương mù và mây
- Trong trường hợp đó, để nâng cao độ chính xác của mô hình khí hậu, có thể sẽ quan trọng khi đưa hiệu ứng này vào mô hình
- Để vượt qua sự hoài nghi đối với kết quả ngoài dự kiến và giả thuyết giải thích nó, các nhà nghiên cứu đang hợp tác chặt chẽ với các nhóm khác đang cố gắng tái lập kết quả
2 bình luận
Chỉ nhìn tiêu đề thôi thì tôi đã nghĩ có phải là thứ gì đó giống hiệu ứng quang điện không.
Các ý kiến trên Hacker News
Nhóm nghiên cứu nói hiệu ứng đạt đỉnh ở một bước sóng xanh lục cụ thể, nên tôi tò mò liệu điều này có ảnh hưởng đến quang hợp không
Tôi nhớ là thực vật trông có màu xanh lục vì diệp lục không hấp thụ màu xanh lục, nhưng liệu có thể là do ánh sáng xanh lục kích thích bay hơi quá mạnh không?
Màu xanh lục là màu áp đảo sáng nhất trong vùng ánh sáng khả kiến, còn màu tím tối là kém sáng nhất. Cây phản xạ màu tím có thể hấp thụ nhiều ánh sáng khả kiến nhất và tạo ra nhiều đường nhất. Phần lớn thực vật cần một chuyển đổi hóa học để đi từ chế độ sản xuất sang chế độ tối; bằng cách phản xạ màu xanh lục, chúng từ bỏ mức sản xuất năng lượng tối đa để đổi lấy sự ổn định hóa học bên trong
Thực vật không có tim bơm máu để cung cấp dinh dưỡng, nên chúng phải dựa vào bay hơi để đưa chất dinh dưỡng từ rễ lên phía trên
Tôi nhớ cũng có nghiên cứu nói cây phát ra một kiểu sương mù vào không khí, nên tôi nghĩ lá xanh có thể cũng giúp ích cho quá trình đó
Tôi không hiểu rõ câu chuyện này có ý nghĩa gì về mặt nhiệt động lực học
Chẳng phải năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng cần để biến nước lỏng thành hơi nước là cố định sao? Tôi không hiểu vì sao nó lại khác đi dù năng lượng đó đến từ ánh sáng hay từ đâu
Thông thường, bay hơi xảy ra khi từng phân tử nước riêng lẻ nhận đủ nhiệt năng để phá vỡ các liên kết liên phân tử, thoát khỏi khối chất lỏng và đi vào không khí
Trong trường hợp này, họ đã tìm thấy bằng chứng mạnh cho thấy các phân tử nước bị loại khỏi bề mặt dưới dạng các cụm gồm nhiều phân tử. Trong các cụm này, liên kết giữa các phân tử vẫn chưa bị phá vỡ, nên nhiệt năng cần để đi vào không khí ít hơn so với khi bay hơi thành từng phân tử riêng lẻ. Sau đó các cụm này tách ra trong không khí, hấp thụ nhiệt năng từ không khí, và làm nhiệt độ không khí ở vị trí cách bề mặt mẫu vài mm giảm nhẹ
Việc bay hơi diễn ra dưới dạng cụm phân tử là điều kỳ lạ và rất khác với cách bay hơi thông thường. Trước khi các cụm này tách thành từng phân tử riêng lẻ, khó có thể xem chúng là hơi nước hoàn chỉnh, nên tôi thậm chí cũng không chắc có nên gọi đây là bay hơi hay không
Tức là nó bay hơi nhanh hơn nhiều so với dự đoán đơn thuần từ năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng
Có vẻ photon va vào những phân tử vốn đã sắp chuyển sang pha khí, và chỉ thế thôi cũng biến chúng thành dạng giống sương mù. Cảm giác không phải là nước được làm nóng rồi bật ra, mà là bị đẩy sang phía khí giống như máy tạo ẩm
Bài báo phân biệt giữa ánh sáng và “nhiệt”, nhưng trong bối cảnh thí nghiệm này, nó gần với sự khác biệt về cách truyền năng lượng hơn. Đó là khác biệt giữa việc làm nóng toàn bộ khối nước để truyền năng lượng và việc chiếu ánh sáng để nó tương tác với từng phân tử nước riêng lẻ
Về mặt thực tiễn, điều này có thể nâng cao hiệu suất bay hơi. Nếu làm nóng toàn bộ nước thì tổn thất lớn, và một phần đáng kể năng lượng đưa vào không đi vào nước. Nếu có thể tìm ra bước sóng cụ thể tương tác mạnh với nước và gây bay hơi, ta có thể giảm đáng kể năng lượng đầu vào bị thất thoát trong quá trình
Hỏi theo cách hiểu của người không chuyên, liệu điều này có thể liên quan đến phổ hấp thụ điện từ của nước không?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
Bước sóng “xanh lục” mà bài viết nói tới trông đúng như điểm hấp thụ thấp nhất. Nếu vậy, có phải nhiệt được sinh ra là kết quả của một dạng điện trở điện từ không? Giống như các phân tử nước dao động do vi sóng
Tương tự, kem chống nắng hóa học biến tia cực tím thành nhiệt khi nhiều liên kết hấp thụ các bước sóng cụ thể và dao động
Bài báo liên quan là “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit” (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120
Tốc độ bay hơi đạt đỉnh ở bước sóng xanh lục 520nm, nhiệt độ hơi nước thấp hơn dưới ánh sáng, và bài báo đưa ra giả thuyết về hiệu ứng quang phân tử, trong đó các cụm phân tử nước tách khỏi bề mặt. Họ cho rằng điều này có thể ảnh hưởng đến tự nhiên, khí hậu, sự phát triển của thực vật, cũng như công nghệ nước sạch và năng lượng
Tôi tò mò liệu quang tử học tích hợp chi phí thấp có thể giúp ích cho các việc như khử muối hay khử trùng không. Liên quan đến điều này cũng có nhiều phương pháp quang tử học tích hợp với chi phí sản xuất khác nhau: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
Thật sự rất ấn tượng, nhưng tôi thấy khó hiểu vì sao đến tận bây giờ người ta vẫn chưa tình cờ phát hiện ra điều này
Chỉ cần tính toán sơ bộ thôi cũng có vẻ đã khá rõ ràng rồi, hay nó liên quan nhiều hơn đến tính đặc thù của hydrogel được dùng?
Khi nói về việc các giá trị đo điện tích electron dần dần được cải thiện ra sao, ông kể rằng những con số cao hơn quá nhiều so với giá trị của Millikan thường bị xem là có gì đó sai, rồi người ta tìm ra lý do; còn nếu gần với giá trị của Millikan thì ít bị nghi ngờ hơn. Vì vậy đã có chuyện loại bỏ các con số lệch quá xa, và ngày nay chúng ta học được những mánh đó nên ít mắc “căn bệnh” ấy hơn
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
Trong hóa học, khoa học vật liệu và vật lý chất ngưng tụ, chuyện như vậy xảy ra suốt. Có vô số cách kết hợp khả dĩ, và chỉ một phần trong số đó là thú vị. Để tách được những hiện tượng như thế cần rất nhiều công sức thủ công
Tôi tò mò về hai điều không thấy trong bài viết, nhưng chắc hẳn ở đâu đó họ đã cân nhắc
Đó là độ bền liên kết khác nhau thế nào giữa các phân tử nước được bao quanh bởi nước và nước bên trong hydrogel, cũng như chênh lệch áp suất riêng phần sẽ ra sao giữa trường hợp bề mặt nước tinh khiết tiếp xúc với không khí và bề mặt nước-hydrogel tiếp xúc với không khí
Có vẻ cần những nghiên cứu tiếp theo rất thú vị
Có vẻ ở đây đang có hiểu nhầm. Nghiên cứu này đã tìm ra một cơ chế chưa được biết đến: khi nước nằm ở lớp biên của hydrogel, nó hấp thụ ánh sáng mà bình thường nó không hấp thụ, và vì thế bay hơi nhanh hơn so với khi chỉ được làm nóng đơn thuần
Nếu đây không phải là sai sót hay một phản ứng phụ không bền vững, nó có thể làm cho các công việc cần bay hơi, chẳng hạn như khử mặn, trở nên rẻ hơn
Tuy vậy, có vẻ nhiều người hiểu nó như thể đang vi phạm định luật bảo toàn năng lượng
Tôi tò mò sẽ mất bao lâu trước khi có ai đó tìm ra cách dùng hiệu ứng này để tạo bơm nhiệt
Vì không cần máy nén, loại “bơm nhiệt quang phân tử” này có lẽ dễ thu nhỏ hơn. Tôi cũng tò mò liệu các dung môi hay môi chất lạnh khác có thể là chất làm việc hiệu quả hơn nước không; thật sự rất thú vị
Có lẽ ý là dùng hiệu ứng quang phân tử để làm sôi môi chất lạnh trong dàn bay hơi của bơm nhiệt, nhưng sự sôi là một quá trình khối xảy ra khi nhiệt độ chất lỏng tăng đủ để mọi liên kết giữa các phân tử bắt đầu bị phá vỡ. Bay hơi là quá trình một số phân tử ở bề mặt ngẫu nhiên thoát khỏi liên kết giữa các phân tử và trộn vào không khí xung quanh. Trái với tên gọi, thứ diễn ra trong dàn bay hơi của bơm nhiệt không phải là bay hơi mà là sôi
Hiệu ứng quang phân tử không gây sôi, chỉ gây bay hơi. Bạn có lẽ cũng không muốn xảy ra bay hơi thật sự trong dàn bay hơi. Khi đó sẽ cần không khí, và bạn sẽ phải nén rất nhiều không khí cùng với môi chất lạnh, gây lãng phí năng lượng lớn
Ứng dụng đầu tiên tôi nghĩ đến là tháp giải nhiệt. Tháp giải nhiệt làm mát nhiều loại lưu chất quá trình bằng sự bay hơi của nước. Nhưng trong tháp giải nhiệt, điều ta muốn là sự bay hơi hấp thụ nhiệt của nước và làm giảm nhiệt độ nước. Hiệu ứng này dùng nhiệt từ ánh sáng và không khí, nên thực tế làm giảm lượng nhiệt được hấp thụ từ nước
Nếu có ứng dụng kỹ thuật, nhiều khả năng nó sẽ nằm ở những nơi mà mục tiêu cuối cùng chính là làm bay hơi nước, như quy trình sấy hoặc khử mặn thụ động
Gang Chen là người gần đây từng bị chính phủ Mỹ bôi nhọ và truy tố một cách bất công liên quan đến hợp tác nghiên cứu với Trung Quốc
Thật tốt khi thấy ông ấy đứng dậy trở lại
Luồng thảo luận liên quan đang diễn ra: Hiệu ứng quang phân tử dẫn đến bay hơi nước vượt quá giới hạn nhiệt - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574