Riset MIT: Cahaya dapat menguapkan air tanpa panas
(news.mit.edu)- Penguapan air biasanya dijelaskan lewat masukan panas, tetapi tim peneliti MIT menyimpulkan bahwa cahaya dapat langsung memicu penguapan pada antarmuka tempat air dan udara bertemu
- Air yang terikat di dalam hidrogel (hydrogel) menguap lebih cepat 2 hingga lebih dari 3 kali lipat dibanding batas termal pada eksperimen sebelumnya, dan tim MIT mengonfirmasi hal ini lewat eksperimen baru, simulasi, serta peninjauan ulang hasil-hasil lama
- Saat cahaya dengan warna berbeda disinari, laju penguapan berubah menurut panjang gelombang dan mencapai puncak pada panjang gelombang hijau; ketika masukan panas yang sama diberikan melalui pemanasan listrik, laju itu tidak melampaui batas
- Para peneliti menyebut fenomena ini sebagai photomolecular effect dan sedang meneliti cara memanfaatkannya untuk desalinasi surya, pengeringan, dan proses pendinginan evaporatif
- Karena bisa memengaruhi pembentukan dan evolusi kabut serta awan, peningkatan akurasi model iklim dan verifikasi reproduksi oleh kelompok riset lain tetap menjadi tugas penting
Unsur yang mungkin selama ini hilang dari pemahaman tentang penguapan air
- Penguapan adalah fenomena yang akrab, seperti pendinginan oleh keringat atau embun yang hilang di bawah sinar matahari pagi, tetapi pemahaman ilmiah tentang prosesnya mungkin memiliki celah
- Dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah peneliti mengamati bahwa air yang tersimpan di dalam hidrogel, bahan mirip spons, menguap jauh lebih cepat daripada laju yang bisa dijelaskan oleh jumlah panas yang diterimanya
- Laju penguapan berlebih dapat mencapai 2 kali hingga lebih dari 3 kali batas maksimum teoretis
- Batas maksimum teoretis berarti jumlah penguapan maksimum yang mungkin terjadi untuk masukan panas tertentu menurut prinsip fisika dasar seperti kekekalan energi
Kesimpulan tim MIT dan makalahnya
- Tim MIT menyimpulkan, setelah eksperimen baru, simulasi, dan peninjauan ulang hasil dari berbagai kelompok yang melaporkan pelampauan batas termal, bahwa cahaya itu sendiri dapat memicu penguapan pada antarmuka air dan udara
- Dalam eksperimen, air berada di dalam hidrogel, tetapi para peneliti menilai fenomena ini bisa terjadi juga dalam kondisi lain
- Hasil penelitian dimuat dalam makalah PNAS “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.”
Mengapa ini temuan yang mengejutkan
- Air sendiri tidak banyak menyerap cahaya, sehingga air yang bersih masih dapat dilihat cukup jelas bahkan beberapa meter di bawah permukaan
- Awalnya tim peneliti juga mempelajari proses penguapan pada desalinasi surya sambil memasukkan partikel penyerap cahaya berwarna hitam ke dalam air untuk mengubah sinar matahari menjadi panas
- Setelah itu mereka menemukan riset kelompok lain yang mencapai laju penguapan hingga dua kali batas termal pada air yang terikat di hidrogel, dan tim MIT pada awalnya bersikap skeptis
- Chen dan Tu lalu memulai eksperimen mereka sendiri, termasuk dengan potongan hidrogel dari kelompok tersebut, dan mengonfirmasi laju penguapan yang sangat tinggi di bawah simulator surya
Metode eksperimen dan bukti utama
- Para peneliti mengamati permukaan hidrogel mirip JELL-O yang sebagian besar terdiri dari air dan terikat dalam kisi mirip spons berbentuk film tipis
- Mereka mengukur laju penguapan sambil secara berurutan menyinari permukaan hidrogel dengan cahaya matahari tiruan pada panjang gelombang yang dikendalikan dengan presisi
- Wadah berisi hidrogel yang jenuh air diletakkan di atas timbangan, lalu pengurangan massa akibat penguapan diukur secara langsung
- Suhu di atas permukaan hidrogel juga dipantau bersamaan
- Pencahayaan diberi pelindung agar tidak menambahkan panas ekstra
- Efek penguapan berubah menurut warna cahaya dan menunjukkan nilai tertinggi pada panjang gelombang hijau tertentu
- Ketergantungan terhadap warna ini sulit dijelaskan hanya dengan panas, sehingga mendukung tafsir bahwa cahaya itu sendiri memicu sebagian penguapan
- Ketika pada peralatan yang sama material dipanaskan dengan listrik tanpa cahaya untuk memberikan masukan panas yang identik, jumlah penguapan tidak melampaui batas termal
- Sebaliknya, saat cahaya matahari tiruan dinyalakan, laju itu melampaui batas termal, sehingga dikonfirmasi bahwa sumber penguapan tambahan adalah cahaya
Hipotesis yang disebut photomolecular effect
- Para peneliti menilai foton cahaya dapat langsung melepaskan gugus molekul air dari permukaan air
- Efek ini mungkin hanya terjadi pada lapisan batas air-udara di permukaan hidrogel
- Fenomena yang sama juga mungkin terjadi di permukaan laut atau pada permukaan tetesan air di awan dan kabut
- Menurut Chen, air itu sendiri dan hidrogel itu sendiri tidak banyak menyerap cahaya, tetapi ketika digabungkan, keduanya menjadi penyerap yang kuat
- Kombinasi ini dapat memanfaatkan energi foton matahari secara efisien tanpa pewarna gelap, sehingga mampu melampaui batas termal
Potensi aplikasi untuk desalinasi, pengeringan, dan pendinginan
- Para peneliti menyebut efek ini sebagai photomolecular effect dan sedang meneliti cara pemanfaatannya di dunia nyata
- Dengan dukungan dari Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab di MIT, mereka menjalankan riset untuk meningkatkan efisiensi sistem desalinasi surya
- Melalui Bose Grant, mereka juga meneliti dampak fenomena ini terhadap pemodelan perubahan iklim
- Proses desalinasi standar biasanya terdiri dari dua tahap
- Pertama, air diuapkan menjadi uap
- Setelah itu, uap dikondensasikan kembali menjadi air tawar
- Tu menilai temuan ini dapat meningkatkan efisiensi tahap penguapan
- Chen memperkirakan bahwa secara prinsip, batas produksi air pada desalinasi surya saat ini, yaitu 1.5 kg per meter persegi, dapat ditingkatkan 3 hingga 4 kali lipat dengan pendekatan berbasis cahaya
- Fenomena ini juga dapat diterapkan pada proses yang perlu mengeringkan material
- Tu juga melihat potensi pemanfaatannya pada proses pendinginan evaporatif yang menggunakan perubahan fase untuk menyediakan sistem pendinginan surya berkeefisien tinggi
Model iklim dan verifikasi reproduksi
- Fenomena ini dapat memengaruhi pembentukan dan evolusi kabut serta awan
- Dalam kasus itu, memasukkan efek ini ke dalam model dapat menjadi penting untuk meningkatkan akurasi model iklim
- Untuk mengatasi skeptisisme terhadap hasil yang tak terduga ini dan hipotesis yang diajukan untuk menjelaskannya, tim peneliti bekerja sama erat dengan kelompok lain yang mencoba mereproduksi hasil tersebut
2 komentar
Dilihat dari judulnya saja, rasanya mirip seperti efek fotolistrik.
Komentar Hacker News
Para peneliti mengatakan efeknya mencapai puncak pada panjang gelombang hijau tertentu, dan saya penasaran apakah ini juga memengaruhi fotosintesis
Seingat saya, tumbuhan terlihat hijau karena klorofil tidak menyerap warna hijau; mungkin saja itu karena cahaya hijau memicu terlalu banyak penguapan
Hijau sejauh ini adalah yang paling terang di wilayah cahaya tampak, sementara ungu gelap adalah yang paling tidak terang. Tumbuhan yang memantulkan ungu bisa menyerap cahaya tampak paling banyak dan menghasilkan gula paling banyak. Kebanyakan tumbuhan perlu melakukan peralihan kimiawi untuk berpindah dari mode produksi ke mode gelap; dengan memantulkan hijau, mereka pada dasarnya mengorbankan produksi energi maksimum demi mendapatkan stabilitas kimia internal
Tumbuhan tidak punya jantung yang memompa darah untuk menyalurkan nutrisi, jadi mereka harus mengandalkan penguapan untuk memindahkan nutrisi dari akar ke bagian atas
Saya juga ingat ada studi yang menyebut pohon mengeluarkan semacam kabut ke udara, dan terpikir bahwa daun hijau bisa membantu proses itu juga
Saya belum benar-benar paham apa makna cerita ini secara termodinamika
Bukankah energi per satuan massa yang dibutuhkan untuk mengubah air cair menjadi uap air sudah tetap? Saya tidak mengerti mengapa itu berubah, entah energinya berasal dari cahaya atau apa pun
Biasanya, penguapan terjadi ketika molekul air individual memperoleh energi panas yang cukup untuk memutus ikatan antarmolekul, lalu keluar dari massa cairan dan masuk ke udara
Dalam kasus ini, mereka menemukan bukti kuat bahwa molekul air terlepas sebagai kelompok yang terdiri dari beberapa molekul. Dalam kelompok seperti ini, ikatan antarmolekul belum terputus, sehingga energi panas yang diperlukan untuk masuk ke udara lebih kecil dibandingkan saat menguap sebagai molekul individual. Setelah itu, kelompok-kelompok ini terpecah di udara sambil menyerap energi panas dari udara, sehingga sedikit menurunkan suhu udara beberapa mm dari permukaan sampel
Penguapan dalam bentuk kelompok molekul adalah hal yang aneh, dan sangat berbeda dari cara penguapan biasa. Sebelum kelompok ini terpecah menjadi molekul individual, sulit menyebutnya sebagai uap air sepenuhnya, jadi saya bahkan tidak yakin apakah ini boleh disebut penguapan
Dengan kata lain, air menguap jauh lebih cepat daripada perkiraan sederhana berdasarkan energi per satuan massa
Sepertinya foton menghantam molekul-molekul yang sudah hampir berpindah ke fase gas, dan itu saja cukup untuk membuatnya seperti kabut. Bukan air dipanaskan lalu keluar, melainkan rasanya seperti didorong ke fase gas seperti pada humidifier
Makalah ini membedakan cahaya dan “panas”, tetapi dalam konteks eksperimen ini perbedaannya lebih dekat pada cara energi dihantarkan. Apakah energi dihantarkan dengan memanaskan seluruh air, atau dengan menyinari cahaya agar berinteraksi dengan molekul air individual
Secara praktis, ini bisa meningkatkan efisiensi penguapan. Jika seluruh air dipanaskan, kerugiannya besar, dan sebagian besar energi yang dimasukkan tidak masuk ke air. Jika bisa ditemukan panjang gelombang tertentu yang berinteraksi kuat dengan air dan memicu penguapan, energi masukan yang hilang dalam proses tersebut bisa dikurangi secara signifikan
Sebagai orang awam, mungkinkah ini terkait dengan spektrum absorpsi elektromagnetik air?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
Panjang gelombang “hijau” yang disebut di artikel tampaknya tepat berada di titik absorpsi paling rendah. Kalau begitu, apakah ini berarti panas muncul sebagai hasil resistansi elektromagnetik? Seperti molekul air yang bergetar karena gelombang mikro
Miripnya, tabir surya kimia mengubah ultraviolet menjadi panas ketika berbagai ikatan menyerap panjang gelombang tertentu dan bergetar
Makalah terkaitnya adalah “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit” (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120
Laju penguapan mencapai puncak pada panjang gelombang hijau 520nm, suhu uap menjadi lebih rendah di bawah cahaya, dan mereka mengajukan hipotesis efek fotomolekuler di mana kelompok molekul air terlepas dari permukaan. Mereka menilai ini dapat berdampak pada alam, iklim, pertumbuhan tanaman, serta teknologi air bersih dan energi
Saya penasaran apakah fotonika terintegrasi berbiaya rendah bisa membantu hal-hal seperti desalinasi atau sterilisasi. Terkait itu, ada juga metode fotonika terintegrasi dengan beragam biaya produksi: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
Benar-benar keren, tetapi membingungkan kenapa ini tidak ditemukan secara kebetulan sampai sekarang
Dengan perhitungan kasar saja sepertinya sudah cukup jelas, atau mungkinkah ini lebih berkaitan dengan kekhususan hidrogel yang digunakan?
Saat membahas bagaimana pengukuran muatan elektron makin lama makin membaik, ia mengatakan bahwa angka yang terlalu tinggi dibanding nilai Millikan dianggap pasti ada yang salah, lalu alasannya dicari; sementara angka yang dekat dengan nilai Millikan kurang dicurigai. Jadi ada praktik semacam membuang angka yang terlalu menyimpang, dan kini kita sudah mempelajari kiat-kiat itu sehingga tidak terlalu menderita penyakit semacam itu
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
Dalam kimia, ilmu material, dan fisika materi terkondensasi, hal seperti ini selalu terjadi. Cara kombinasinya tak terbatas, dan hanya sebagian yang menarik. Perlu banyak pekerjaan manual untuk mengisolasi fenomena semacam ini
Ada dua hal yang tidak terlihat di artikel, tetapi pasti sudah dipertimbangkan di suatu tempat, yang membuat saya penasaran
Bagaimana perbedaan kekuatan ikatan antara molekul air yang dikelilingi air dan air di dalam hidrogel, serta bagaimana perbedaan tekanan parsial ketika permukaan air murni terpapar udara dibandingkan permukaan air-hidrogel yang terpapar udara
Sepertinya perlu studi lanjutan yang sangat menarik
Sepertinya ada kesalahpahaman di sini. Riset ini menemukan mekanisme yang belum diketahui: ketika air berada di lapisan batas hidrogel, ia menyerap cahaya yang biasanya tidak diserap, sehingga menguap lebih cepat daripada jika sekadar dipanaskan
Jika ini bukan kesalahan atau reaksi samping yang tidak berkelanjutan, pekerjaan yang membutuhkan penguapan, seperti desalinasi, bisa dibuat lebih murah
Namun banyak orang tampaknya memahaminya seolah-olah ini melanggar hukum kekekalan energi
Saya penasaran berapa lama sampai ada yang menemukan cara membuat pompa kalor dengan memanfaatkan efek ini
Karena tidak memerlukan kompresor, “pompa kalor fotomolekuler” seperti ini mungkin lebih mudah diperkecil. Saya juga penasaran apakah pelarut atau refrigeran lain bisa menjadi fluida kerja yang lebih efisien daripada air; benar-benar menarik
Mungkin maksudnya adalah menggunakan efek fotomolekuler untuk mendidihkan refrigeran di evaporator pompa kalor, tetapi pendidihan adalah proses bulk yang terjadi ketika suhu fluida naik cukup tinggi sehingga semua ikatan antarmolekul mulai terputus. Penguapan adalah proses di permukaan ketika sebagian molekul secara acak lepas dari ikatan antarmolekul dan bercampur dengan udara sekitar. Meski namanya evaporator, yang terjadi di evaporator pompa kalor bukan penguapan, melainkan pendidihan
Efek fotomolekuler tidak menyebabkan pendidihan, hanya penguapan. Anda juga tidak akan menginginkan penguapan sungguhan terjadi di evaporator. Itu akan membutuhkan udara, dan berarti harus mengompresi banyak udara bersama refrigeran, sehingga membuang banyak energi
Hal pertama yang terpikir adalah aplikasi menara pendingin. Menara pendingin mendinginkan berbagai fluida proses lewat penguapan air. Namun di menara pendingin, yang diinginkan adalah penguapan menyerap panas dari air dan menurunkan suhu air. Efek ini menggunakan panas dari cahaya dan udara, sehingga justru mengurangi jumlah panas yang diserap dari air
Jika ada aplikasi rekayasa, kemungkinan besar ada pada proses pengeringan atau desalinasi pasif, yaitu tempat tujuan akhirnya memang penguapan air itu sendiri
Gang Chen adalah orang yang belakangan ini secara tidak adil dicemarkan dan didakwa oleh pemerintah AS terkait kolaborasi riset dengan Tiongkok
Senang melihatnya bangkit kembali
Thread terkait yang sedang berjalan: Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574