1
نور خورشید یکی از مؤثرترین ابزارهای طبیعی برای تبخیر آب است. مطالعه‌ای جدید از دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی نشان می‌دهد که کلید این فرایند در گرما نیست، بلکه در میدان الکتریکی نوسانی نهفته است که نور به همراه دارد.
این میدان به شیوه‌ای منحصربه‌فرد با مولکول‌های آب تعامل می‌کند و به آن‌ها کمک می‌کند سریع‌تر از زمانی که توسط منابع گرمایی معمول گرم می‌شوند، به هوا فرار کنند.
کارایی بی‌نظیر نور خورشید در تبخیر
نقش میدان الکتریکی نور
سقلاین رضا، دانشجوی دکتری در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و نویسنده اصلی این مطالعه، اشاره می‌کند که مدت‌هاست مشخص شده که خورشید بسیار بهتر از منابع گرمایی سنتی، مانند اجاق گاز، باعث تبخیر آب می‌شود.
او می‌گوید: «با این حال، دقیقاً مشخص نبود چرا این‌گونه است. کار ما نقش میدان‌های الکتریکی در این فرایند را برجسته می‌کند.»
شبیه‌سازی تبخیر آب
محققان با استفاده از دینامیک مولکولی، تبخیر آب را شبیه‌سازی کردند. این شبیه‌سازی‌ها به آن‌ها اجازه داد که نحوه تأثیر میدان الکتریکی نور خورشید بر افزایش سرعت تبخیر را در سطح مولکول‌های آب بررسی کنند.
گرما باعث افزایش تبخیر نمی‌شود
مقایسه تبخیر در آب خالص و هیدروژل‌ها
تیم تحقیقاتی، تبخیر آب خالص و آب درون هیدروژل‌ها را تحت شرایط حرارتی مقایسه کردند. زمانی که هر دو سیستم میزان حرارت یکسانی دریافت کردند، نرخ تبخیر یکسان باقی ماند.
این موضوع نشان داد که وجود هیدروژل به‌تنهایی نمی‌تواند تبخیر را فراتر از محدودیت‌های حرارتی افزایش دهد.
بررسی نقش آب میانی
محققان همچنین بررسی کردند که آیا هیدروژل‌ها با ایجاد حالت‌های واسط آب (آب میانی) باعث کاهش گرمای نهان آب می‌شوند یا خیر.
اما انرژی برهم‌کنش آب میانی تنها حدود دوازده درصد کمتر از آب آزاد بود. این تفاوت جزئی نمی‌تواند افزایش چشمگیر نرخ تبخیر را که در آزمایش‌های قبلی مشاهده شده است توجیه کند.
شبیه‌سازی‌ها تأیید کردند که حالت‌های واسط آب به‌تنهایی نقش مؤثری در تسهیل تبخیر ندارند. بنابراین، باید عامل دیگری موجب افزایش تبخیر باشد.
سلاح مخفی نور خورشید
میدان الکتریکی نوسانی نور
نور خورشید تنها انرژی حرارتی نیست. نور یک موج الکترومغناطیسی است که دارای میدان الکتریکی نوسانی است. این میدان می‌تواند با مولکول‌های قطبی آب تعامل داشته باشد.
محققان این اثر را با اعمال یک میدان الکتریکی متناوب در شبیه‌سازی‌های خود بازسازی کردند. آن‌ها دریافتند که در حضور این میدان، آب بسیار سریع‌تر تبخیر می‌شود.
جوان لیو، نویسنده همکار مطالعه، توضیح داد: «نور یک موج الکترومغناطیسی است که بخشی از آن میدان الکتریکی نوسانی است. ما دریافتیم که اگر میدان الکتریکی نوسانی را حذف کنیم، تبخیر آب در اثر نور خورشید زمان بیشتری می‌برد. اما زمانی که این میدان وجود دارد، آب بسیار سریع تبخیر می‌شود.»
تاثیر چشمگیر میدان الکتریکی
در شبیه‌سازی، آب موجود در هیدروژل‌ها تحت میدان الکتریکی ۲.۳ برابر سریع‌تر از زمانی که تنها گرما وجود داشت تبخیر شد. آب خالص نیز در همان شرایط ۱.۴۴ برابر سریع‌تر تبخیر شد. این نتایج نشان می‌دهد که میدان الکتریکی عامل اصلی افزایش نرخ تبخیر است.
چگونه نور خورشید تبخیر آب را تقویت می‌کند؟
تبخیر مولکول‌های منفرد یا خوشه‌ها
آب سطحی همیشه به صورت مولکول‌های منفرد تبخیر نمی‌شود، بلکه می‌تواند به شکل خوشه‌هایی از مولکول‌های مرتبط با پیوندهای هیدروژنی نیز از سطح جدا شود.
رضا توضیح داد: «تبخیر یا باعث رها شدن مولکول‌های منفرد آب می‌شود که از توده اصلی آب دور می‌شوند، یا باعث رها شدن خوشه‌های آب می‌شود.»
لیو افزود: «ما دریافتیم که میدان الکتریکی نوسانی به‌طور ویژه‌ای در جدا کردن خوشه‌های آب مؤثر است. این روش کارآمدتر است، زیرا انرژی مورد نیاز برای جدا کردن یک خوشه (با تعداد زیادی مولکول) بیشتر از انرژی لازم برای جدا کردن یک مولکول منفرد نیست.»
نقش هیدروژل‌ها در تشکیل خوشه‌های سطحی
هیدروژل‌ها شرایطی ایجاد می‌کنند که خوشه‌های بیشتری در نزدیکی سطح تشکیل شوند. شبکه‌های پلیمری هیدروژل‌ها پیوندهای هیدروژنی طبیعی آب را بر هم می‌زنند و باعث می‌شوند خوشه‌ها بیشتر و جداسازی آن‌ها تحت تاثیر میدان الکتریکی آسان‌تر شود.
هیدروژل‌ها فقط در حضور نور مؤثرند
شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که وجود هیدروژل به‌تنهایی تحت گرما نرخ تبخیر را افزایش نمی‌دهد. اما زمانی که یک میدان الکتریکی اعمال شد، نرخ تبخیر به‌طور چشمگیری افزایش یافت. به نظر می‌رسد هیدروژل‌ها با افزایش تشکیل خوشه‌های سطحی که میدان الکتریکی بتواند روی آن‌ها اثر بگذارد، کمک می‌کنند.
در یکی از تحلیل‌ها، محققان دریافتند که تقریباً نیمی از خوشه‌های تشکیل‌شده در سیستم‌های هیدروژلی بدون تبخیر دوباره به آب بازمی‌گردند. اما با فعال شدن میدان الکتریکی، بسیاری از این خوشه‌ها به گروه‌های کوچک‌تر یا مولکول‌های منفرد شکسته شدند که فرار آن‌ها آسان‌تر بود.
میدان الکتریکی نه‌تنها به رهایی خوشه‌ها کمک می‌کند بلکه تعداد خوشه‌های سطحی را نیز افزایش می‌دهد. احتمالاً این امر به این دلیل است که میدان، خوشه‌های بزرگ را به خوشه‌های کوچک‌تر که آمادگی بیشتری برای تبخیر دارند تبدیل می‌کند.
اثر فوتومولکولی در عمل
این مطالعه از نظریه اثر فوتومولکولی حمایت می‌کند. این نظریه توضیح می‌دهد که چگونه نور می‌تواند مولکول‌های آب و خوشه‌ها را از سطح خارج کند.
مطالعه نشان داد که میدان الکتریکی باعث تحریک مولکول‌های آب در سطح شده و این امر به جداسازی و فرار آن‌ها منجر می‌شود.
شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان دادند که در فرکانس‌های واقعی نور خورشید، میزان تبخیر افزایش می‌یابد اما تنها در شدت‌های بسیار بالای میدان الکتریکی. این محدودیت به مدل محاسباتی مربوط می‌شود که نمی‌تواند به‌طور کامل کل طیف تعامل نور با آب را شبیه‌سازی کند.
با این حال، الگوی کلی مشخص است: نور نه‌تنها از طریق گرما بلکه از طریق تعاملات مبتنی بر میدان با مولکول‌های آب عمل می‌کند.
چشم‌اندازهای کاربردی در آینده
این مطالعه مسیر توسعه فناوری‌های جدید در زمینه آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی و تولید آب پاک را هموار می‌کند. درک نقش میدان الکتریکی به مهندسان کمک می‌کند تا موادی طراحی کنند که این اثر را تقویت نمایند.
محققان پیشنهاد می‌کنند که تبخیر را در فرکانس‌ها و مواد مختلف آزمایش کرده و از ابزارهایی مانند طیف‌سنجی مادون قرمز و رامان برای ردیابی خوشه‌های آب استفاده کنند.
همچنین آزمایش‌هایی با میدان‌های الکتریکی هدایت‌شده توسط آنتن می‌تواند به بررسی نحوه واکنش آب به انرژی نوسانی در مقیاس‌های مختلف کمک کند. این یافته‌ها برای ساخت سیستم‌های کارآمد و پایدار برای تولید آب با انرژی خورشیدی ضروری خواهد بود.
لیو گفت: «این مطالعه به‌طور قابل‌توجهی درک ما از این پدیده را پیش می‌برد، زیرا ما نخستین کسانی هستیم که نقش خوشه‌های آب را از طریق شبیه‌سازی محاسباتی نشان می‌دهیم.»
تمرکز بر نحوه تأثیر نور خورشید بر مولکول‌های آب در سطح، پایه‌ای برای توسعه روش‌های مؤثرتر تبخیر و راه‌حل‌های آب پاک ایجاد می‌کند.
این مطالعه در مجله Materials Horizons منتشر شده است.