Новое исследование проливает свет на то, почему солнечное излучение эффективнее других видов энергии вызывает испарение воды.
Ключевым фактором оказалось колеблющееся электрическое поле, присущее самому солнечному свету.
«Эта работа существенно продвигает наше понимание того, что происходит в этом явлении…» — говорится в исследовании.
«Хорошо известно, что солнце исключительно хорошо способствует испарению воды — оно более эффективно, чем нагревание воды на плите, например, — говорит Саклайн Раза, первый автор статьи и аспирант Университета штата Северная Каролина. — Однако точно не было известно, почему. Наша работа подчёркивает роль, которую электрические поля играют в этом процессе».
«Это часть более масштабных усилий научного сообщества по пониманию этого явления, которое имеет такие приложения, как разработка более эффективных технологий испарения воды», — говорит Цзюнь Лю, соавтор статьи и доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Северная Каролина.
Чтобы изучить вопросы, связанные с эффективностью солнечного света при испарении воды, исследователи обратились к компьютерному моделированию. Это позволило им изменять различные параметры, связанные с солнечным светом, чтобы увидеть, как эти характеристики влияют на испарение.
«Свет — это электромагнитная волна, которая частично состоит из колеблющегося электрического поля», — говорит Лю.
«Мы обнаружили, что если исключить из уравнения колеблющееся электрическое поле, то солнечному свету потребуется больше времени, чтобы испарить воду. Но когда поле присутствует, вода испаряется очень быстро. И чем сильнее электрическое поле, тем быстрее испаряется вода. Наличие этого электрического поля отличает свет от тепла, когда речь идёт об испарении воды».
Но что именно делает колеблющееся электрическое поле?
«Во время испарения происходит одно из двух событий, — говорит Раза. — Испарение либо освобождает отдельные молекулы воды, которые уносятся от основной массы жидкой воды, либо освобождает кластеры воды».
«Кластеры воды — это конечные группы молекул воды, которые связаны друг с другом, но могут быть отделены от остальной части жидкой воды, даже если они всё ещё соединены между собой. Обычно оба этих процесса происходят в той или иной степени».
«Мы обнаружили, что колеблющееся электрическое поле особенно хорошо справляется с разрушением кластеров воды», — говорит Лю.
«Это более эффективно, потому что не требуется больше энергии, чтобы отделить кластер воды (со множеством молекул), чем одну молекулу».
Исследователи продемонстрировали это, смоделировав, как происходит испарение в модели чистой воды и как оно происходит в модели, где вода насыщает гидрогель.
«В чистой воде у поверхности — там, где может происходить испарение, — не так много кластеров воды, — говорит Раза. — Но во второй модели их много, потому что они образуются там, где вода соприкасается с гидрогелем. Поскольку во второй модели у поверхности больше кластеров воды, испарение происходит быстрее. По сути, есть больше кластеров воды, которые колеблющееся поле может отделить от жидкой воды».
«Эта работа существенно продвигает наше понимание того, что происходит в этом явлении, поскольку мы первые, кто показал роль кластеров воды с помощью компьютерного моделирования», — говорит Лю.
Статья опубликована в журнале Materials Horizons.
Дополнительные авторы исследования — из Университета штата Северная Каролина и Huazhong University of Science and Technology.
Работа поддержана Фондом исследований нефти Американского химического общества.
Источник: Университет штата Северная Каролина.