Científicos en el MIT han descubierto un nuevo fenómeno en el más fundamental de los procesos físicos: que la luz puede provocar la evaporación del agua de una superficie sin necesidad de calor.
Este ‘efecto fotomolecular’ podría ser importante para comprender el cambio climático y mejorar algunos procesos industriales, según aseguran.
En una serie de experimentos minuciosamente precisos se ha demostrado que el calor no es el único que provoca la evaporación del agua. La luz, al golpear la superficie del agua donde se encuentran el aire y el agua, puede romper las moléculas de agua y hacerlas flotar en el aire, provocando la evaporación en ausencia de cualquier fuente de calor.
Implicaciones de este descubrimiento
Podría ayudar a explicar misteriosas mediciones realizadas a lo largo de los años sobre cómo la luz solar afecta a las nubes y, por lo tanto, afectar los cálculos de los efectos del cambio climático sobre la nubosidad y las precipitaciones. También podría conducir a nuevas formas de diseñar procesos industriales, como la desalinización con energía solar o el secado de materiales.
Los hallazgos, y las diferentes líneas de evidencia que demuestran la realidad del fenómeno y los detalles de cómo funciona, se describen en la revista PNAS, en un artículo liderado por Carl Richard Soderberg, profesor de ingeniería energética.
Los autores dicen que su estudio sugiere que el efecto debería ocurrir ampliamente en la naturaleza -en todas partes, desde las nubes hasta las nieblas y las superficies de los océanos, los suelos y las plantas- y que también podría conducir a nuevas aplicaciones prácticas, incluso en producción de energía y agua limpia, informa el MIT en un comunicado.
El nuevo trabajo se basa en una investigación publicada el año pasado, que describía este nuevo “efecto fotomolecular”, pero sólo en condiciones muy específicas: en la superficie de hidrogeles especialmente preparados empapados en agua. En el nuevo estudio, los investigadores demuestran que el hidrogel no es necesario para el proceso; Ocurre en cualquier superficie de agua expuesta a la luz, ya sea una superficie plana como una masa de agua o una superficie curva como una gota de vapor de una nube.
Debido a que el efecto fue tan inesperado, el equipo trabajó para demostrar su existencia con tantas líneas de evidencia diferentes como fuera posible. En este estudio, informan sobre 14 tipos diferentes de pruebas y mediciones que llevaron a cabo para establecer que el agua en realidad se estaba evaporando (es decir, que las moléculas de agua se soltaban de la superficie del agua y flotaban en el aire) debido solo a la luz, no por calor, que durante mucho tiempo se supuso que era el único mecanismo involucrado.
Un indicador clave, que se mostró consistentemente en cuatro tipos diferentes de experimentos bajo diferentes condiciones, fue que cuando el agua comenzó a evaporarse de un recipiente de prueba bajo luz visible, la temperatura del aire medida sobre la superficie del agua se enfrió y luego se estabilizó, mostrando que la energía térmica no era la fuerza impulsora detrás del efecto.
Otros indicadores clave que aparecieron incluyeron la forma en que el efecto de evaporación variaba según el ángulo de la luz, el color exacto de la luz y su polarización. Ninguna de estas características variables debería ocurrir porque en estas longitudes de onda, el agua apenas absorbe luz y, sin embargo, los investigadores las observaron.
El efecto es más fuerte cuando la luz incide sobre la superficie del agua en un ángulo de 45 grados. También es más fuerte con cierto tipo de polarización, llamada polarización magnética transversal. Y alcanza su punto máximo con la luz verde, que, curiosamente, es el color en el que el agua es más transparente y, por lo tanto, interactúa menos.
El efecto fotmolecular
El equipo ha propuesto un mecanismo físico que puede explicar la dependencia del ángulo y la polarización del efecto, mostrando que los fotones de luz pueden impartir una fuerza neta sobre las moléculas de agua en la superficie del agua que es suficiente para soltarlas de la superficie del agua. Pero todavía no pueden explicar la dependencia del color, que, según afirman, requerirá más estudios.
Lo han denominado efecto fotomolecular, por analogía con el efecto fotoeléctrico descubierto por Heinrich Hertz en 1887 y finalmente explicado por Albert Einstein en 1905. Ese efecto fue una de las primeras demostraciones de que la luz también tiene características de partículas, lo que tuvo importantes implicaciones en física y dio lugar a una amplia variedad de aplicaciones, incluidos los LED.
Así como el efecto fotoeléctrico libera electrones de los átomos de un material en respuesta al impacto de un fotón de luz, el efecto fotomolecular muestra que los fotones pueden liberar moléculas enteras de una superficie líquida, dicen los investigadores.