La lumière peut évaporer l’eau sans chaleur | Dmshaulers

MON des chercheurs ont révélé que la lumière peut induire de l’évaporation, et pas seulement de la chaleur, ce qui est visible sur diverses surfaces d’eau naturelles et synthétiques. Cette découverte pourrait avoir un impact sur la modélisation climatique et conduire à des innovations dans les technologies d’énergie solaire et de purification de l’eau.

Il s’agit du processus le plus fondamental : l’évaporation de l’eau de la surface des océans et des lacs, la combustion du brouillard au soleil du matin et l’assèchement des étangs salins, laissant derrière eux du sel solide. L’évaporation est omniprésente autour de nous et les humains l’observent et l’utilisent depuis aussi longtemps que nous existons.

Et pourtant, il s’avère que nous avons toujours manqué une grande partie du tableau.

Découverte de l’évaporation induite par la lumière

Dans une série d’expériences minutieusement précises, une équipe de chercheurs du MIT a montré que la chaleur n’est pas la seule à provoquer l’évaporation de l’eau. La lumière frappant la surface de l’eau, là où l’air et l’eau se rencontrent, peut briser les molécules d’eau et les faire flotter dans l’air, provoquant une évaporation en l’absence de toute source de chaleur.

Cette nouvelle découverte étonnante pourrait avoir un large éventail d’implications significatives. Cela pourrait aider à expliquer les mystérieuses mesures prises au fil des années sur la façon dont la lumière du soleil affecte les nuages, et donc affecter les calculs de l’effet du changement climatique sur la couverture nuageuse et les précipitations. Cela pourrait également conduire à de nouvelles façons de concevoir des processus industriels, tels que le dessalement ou le séchage de matériaux à l’énergie solaire.

Des chercheurs du MIT ont découvert un nouveau phénomène : la lumière peut provoquer l’évaporation de l’eau de la surface sans avoir besoin de chaleur. Sur la photo, un appareil de laboratoire conçu pour mesurer « l’effet photomoléculaire » à l’aide de faisceaux laser. Crédit : Bryce Vickmark

Les résultats et la variété des preuves démontrant la réalité du phénomène et les détails de son fonctionnement sont décrits aujourd’hui dans la revue PNAS, dans un papier par Carl Richard Soderberg, professeur de génie électrique Gang Chen, les postdoctorants Guangxin Lv et Yaodong Tu et l’étudiant diplômé James Zhang.

Les auteurs affirment que leur étude suggère que cet effet devrait se produire largement dans la nature – partout des nuages ​​aux brouillards en passant par la surface des océans, du sol et des plantes – et qu’il pourrait également conduire à de nouvelles applications pratiques, notamment dans la production d’énergie et d’eau propre. “Je pense que cela a de nombreuses applications”, déclare Chen. “Nous explorons toutes ces différentes directions. Et bien sûr, cela affecte également la science fondamentale, comme l’effet des nuages ​​sur le climat, car les nuages ​​constituent l’aspect le plus incertain des modèles climatiques.”

Un phénomène récemment découvert

Les nouveaux travaux s’appuient sur des recherches publiées l’année dernière, qui décrivaient ce nouvel « effet photomoléculaire », mais uniquement dans des conditions très spécialisées : à la surface d’hydrogels spécialement fabriqués et trempés dans l’eau. Dans la nouvelle étude, les chercheurs démontrent que l’hydrogel n’est pas nécessaire au processus ; cela se produit sur toute surface d’eau exposée à la lumière, qu’il s’agisse d’une surface plane comme un plan d’eau ou d’une surface courbe comme une goutte de vapeur d’un nuage.

Parce que l’effet était si inattendu, l’équipe s’est efforcée de prouver son existence avec autant d’éléments de preuve différents que possible. Dans cette étude, ils rapportent 14 types différents de tests et de mesures qu’ils ont effectués pour déterminer que l’eau s’est réellement évaporée (c’est-à-dire que les molécules d’eau ont été détachées de la surface de l’eau et projetées dans l’air) à cause de la lumière seule, et non de la chaleur. , qui a longtemps été considéré comme le seul mécanisme impliqué.

Les auteurs affirment que leur étude suggère que l’effet photomoléculaire devrait se produire largement dans la nature, des nuages ​​aux brouillards, des océans aux surfaces terrestres et à la transpiration des plantes. “Je pense que cela a de nombreuses applications”, déclare Gang Chen, photographié au centre. Chen se tient aux côtés des auteurs Guangxin Lv, à gauche, et James Zhang. L’auteur Yaodong Tu n’est pas représenté sur la photo. Crédit : Bryce Vickmark

Un indicateur clé qui apparaissait systématiquement dans quatre types d’expériences différents dans des conditions différentes était que lorsque l’eau commençait à s’évaporer d’un récipient d’essai sous la lumière visible, la température de l’air mesurée au-dessus de la surface de l’eau se refroidissait et se stabilisait, montrant que l’énergie thermique était pas la force motrice, l’effet.

Parmi les autres indicateurs clés qui ont émergé figurent la manière dont l’effet d’évaporation variait en fonction de l’angle de la lumière, de la couleur exacte de la lumière et de sa polarisation. Aucune de ces propriétés variables ne devrait se produire, car à ces longueurs d’onde, l’eau n’absorbe presque pas de lumière – et pourtant les chercheurs les ont observées.

L’effet est plus fort lorsque la lumière frappe la surface de l’eau selon un angle de 45 degrés. Elle est également plus forte avec un type particulier de polarisation, appelée polarisation magnétique transversale. Et elle culmine dans la lumière verte – qui, curieusement, est la couleur avec laquelle l’eau est la plus transparente et interagit donc le moins.

Chen et ses co-chercheurs ont proposé un mécanisme physique qui peut expliquer la dépendance de l’effet à l’angle et à la polarisation, montrant que les photons de lumière peuvent exercer une force nette sur les molécules d’eau à la surface de l’eau, suffisante pour les détacher de la masse d’eau. . Mais ils ne peuvent pas encore expliquer la dépendance à la couleur, qui, selon eux, nécessitera des recherches plus approfondies.

“Nous explorons toutes ces différentes directions”, explique Chen. “Et bien sûr, cela affecte également la science fondamentale, comme l’effet des nuages ​​sur le climat, car les nuages ​​constituent l’aspect le plus incertain des modèles climatiques.” Crédit : Bryce Vickmark

Ils ont appelé cela l’effet photomoléculaire, analogue à l’effet photoélectrique découvert par Heinrich Hertz en 1887 et finalement expliqué par Albert Einstein en 1905. Cet effet fut l’une des premières démonstrations que la lumière possède également des caractéristiques de particules, ce qui eut des implications majeures en physique et en physique. a conduit à une large gamme d’applications, y compris les LED. Comme l’effet photoélectrique, les électrons sont libérés des atomes d’un matériau en réponse à un choc. photo de la lumière, l’effet photomoléculaire montre que les photons peuvent libérer des molécules entières d’une surface liquide, disent les chercheurs.

“La découverte de l’évaporation provoquée par la lumière plutôt que par la chaleur fournit de nouvelles connaissances révolutionnaires sur l’interaction lumière-eau”, explique Xiulin Ruan, professeur de génie mécanique à l’Université Purdue qui n’a pas participé à l’étude. “Cela peut nous aider à mieux comprendre comment la lumière du soleil interagit avec les nuages, le brouillard, les océans et d’autres plans d’eau naturels pour influencer les conditions météorologiques et le climat. Elle présente d’importantes applications pratiques potentielles telles que le dessalement de l’eau à haute performance alimenté par l’énergie solaire. Cette recherche fait partie des rares découvertes véritablement révolutionnaires qui ne sont pas immédiatement acceptées par la société mais qui mettent du temps, parfois beaucoup de temps, à être confirmées. »

Parce que l’effet est si nouveau et inattendu, dit Chen, “ce phénomène devrait être très général, et notre expérience n’est en réalité qu’un début”. Crédit : Bryce Vickmark

Résoudre une énigme liée au cloud

Cette découverte pourrait résoudre un mystère vieux de 80 ans dans la science du climat. Les mesures de la manière dont les nuages ​​absorbent la lumière du soleil ont souvent montré qu’ils absorbaient plus de lumière solaire que ce que la physique conventionnelle le préconise. L’évaporation supplémentaire provoquée par cet effet peut expliquer l’écart de longue date, qui a fait l’objet de controverses car de telles mesures sont difficiles à effectuer.

“Ces expériences sont basées sur des données satellitaires et des données de vol”, explique Chen. “Ils pilotent un avion au-dessus et au-dessous des nuages, et il existe également des données basées sur la température de la mer et le bilan radiatif. Et ils concluent tous que l’absorption par les nuages ​​est supérieure à ce que la théorie pourrait calculer. Cependant, en raison de la complexité des nuages ​​et de la difficulté de réaliser de telles mesures, les scientifiques se demandent si de telles divergences sont réelles ou non. Et ce que nous avons découvert suggère qu’il existe un autre mécanisme d’absorption des nuages ​​qui n’a pas été pris en compte, et ce mécanisme pourrait expliquer les écarts. »

Chen dit qu’il a récemment parlé de ce phénomène lors d’une conférence de l’American Physical Society, et un physicien qui étudie les nuages ​​et le climat a déclaré qu’il n’avait jamais pensé à cette possibilité, qui pourrait affecter les calculs des effets complexes des nuages ​​sur le climat. L’équipe a mené des expériences avec des LED éclairant une chambre à brouillard artificielle et a observé un réchauffement du brouillard, ce qui ne devrait pas se produire puisque l’eau n’absorbe pas dans le spectre visible. “Un tel échauffement peut être plus facilement expliqué sur la base de l’effet photomoléculaire”, dit-il.

Lv affirme que parmi les nombreux éléments de preuve, “la région plate de la répartition de la température côté air au-dessus de l’eau chaude sera la plus facile à reproduire pour les humains”. Ce profil de température “est une signature” qui démontre clairement l’effet, dit-il.

Zhang ajoute : « Il est assez difficile d’expliquer comment ce type de profil de température plat se produit sans invoquer un autre mécanisme » au-delà des théories acceptées de l’évaporation thermique. “Cela relie ce que beaucoup de gens rapportent dans leurs unités de dessalement solaire”, qui montrent encore une fois des taux d’évaporation qui ne peuvent pas être expliqués par l’apport thermique.

L’effet peut être important. Dans des conditions optimales de couleur, d’angle et de polarisation, explique Lv, “le taux d’évaporation est quatre fois supérieur à la limite thermique”.

Applications pratiques et recherches futures

Depuis la publication du premier article, l’équipe a été approchée par des entreprises espérant exploiter cet effet, explique Chen, notamment pour évaporer du sirop et sécher du papier dans une usine de papier. Les premières applications les plus probables concerneront les systèmes de dessalement solaire ou d’autres procédés de séchage industriels, dit-il. “Le séchage consomme 20 pour cent de toute la consommation d’énergie industrielle”, souligne-t-il.

Parce que l’effet est si nouveau et inattendu, Chen dit : “Ce phénomène devrait être très général, et notre expérience n’est en réalité qu’un début.” Les expériences nécessaires pour démontrer et quantifier l’effet prennent beaucoup de temps. “Il existe de nombreuses variables, depuis la compréhension de l’eau elle-même jusqu’à son extension à d’autres matériaux, d’autres liquides et même des solides”, dit-il.

“Les observations contenues dans le manuscrit mettent en évidence un nouveau mécanisme physique qui modifie fondamentalement notre réflexion sur la cinétique d’évaporation”, a déclaré Shannon Yee, professeure agrégée de génie mécanique à Georgia Tech, qui n’était pas associée à ces travaux. Il ajoute : « Qui aurait pensé que nous sommes encore en train d’apprendre quelque chose d’aussi constant que l’évaporation de l’eau ?

“Je pense que ce travail est très important sur le plan scientifique car il présente un nouveau mécanisme”, déclare Janet AW Elliott, professeure distinguée à l’Université de l’Alberta, qui n’était pas non plus associée à ces travaux. “Cela pourrait également s’avérer important d’un point de vue pratique pour la technologie et notre compréhension de la nature, car l’évaporation de l’eau est omniprésente et son effet semble produire des taux d’évaporation nettement plus élevés que le mécanisme thermique connu. … Mon impression générale est que cette œuvre est exceptionnelle. Cela semble avoir été soigneusement réalisé avec de nombreuses expériences précises qui se soutiennent mutuellement. »

Référence : « Effet photomoléculaire : Interaction de la lumière visible avec l’interface air-eau » par Guangxin Lv, Yaodong Tu, James H. Zhang et Gang Chen, 23 avril 2024, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2320844121

Le travail a été soutenu en partie par un MIT Bose Award. Les auteurs travaillent actuellement sur les moyens d’exploiter cet effet pour le dessalement de l’eau dans le cadre d’un projet financé par le laboratoire Abdul Latif Jameel Water and Food Systems et le programme MIT-UMRP.