Phát hiện bất ngờ của giới khoa học: ánh sáng có thể làm nước bay hơi mà không cần nhiệt

Quá trình bay hơi diễn ra quanh ta như một lẽ tự nhiên, từ mồ hôi bay hơi trên da, cốc nước bạn để trên bàn hay nước biển bay hơi ngoài xa. Nhưng hóa ra, hiểu biết của khoa học về quá trình bay hơi thiếu một mảnh ghép lớn.

Vài năm trở lại đây, một số nhà khoa học ngỡ ngàng với phát hiện mới: số nước tích tụ trên hydrogel (trong một cấu trúc vật liệu thấm nước) bay hơi với tốc độ rất nhanh mà không phải do nhiệt. Các nhà khoa học không rõ nước đã bay hơi bằng cơ chế nào.

Sau nhiều thử nghiệm trong môi trường giả lập cũng như trong thực tế, đồng thời phân tích lại những kết quả của nhiều thí nghiệm khác, nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đi đến khẳng định bất ngờ. Trong một số điều kiện nhất định, tại nơi nước tiếp xúc với không khí, ánh sáng có thể trực tiếp gây ra hiện tượng bay hơi mà không cần tới nhiệt, thậm chí ánh sáng làm nước bay hơi hiệu quả hơn cả nhiệt. Có thể nói các hạt photon (hạt ánh sáng) đã đánh bật phân tử nước ra, gây hiện tượng bay hơi.

Hiện tượng được mô tả chi tiết trong một báo cáo khoa học đăng trên tạp chí PNAS, với chủ biên là nhà nghiên cứu sau Tiến sĩ Yaodong Tu, giáo sư Gang Chen và bốn chuyên gia khác.

Nhóm nghiên cứu nhận định rằng, hiện tượng nước bay hơi bởi ánh sáng có thể là một trong những yếu tố giúp hình thành sương mù hay mây. Vì thế, chúng là yếu tố cần đưa vào các mô hình khí hậu giả lập để đảm bảo tính chính xác của kết quả cuối cùng. Bên cạnh đó, hiện tượng còn có thể đóng một vai trò quan trọng trong nhiều dây chuyền công nghiệp, chẳng hạn như quá trình khử muối trong nước bằng năng lượng mặt trời.

Các nhà khoa học ngỡ ngàng trước phát hiện mới bởi lẽ nước không hấp thụ ánh sáng một cách hiệu quả. Đó là lý do bạn có thể nhìn tới đáy một hồ nước sạch. Tính chất này của nước cũng làm phức tạp thêm quy trình khử muối nước mặn, khi các chuyên gia đã phải thêm vật chất tối màu, có thể hấp thụ ánh sáng vào nước nhằm chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt.

Nhóm lấy cảm hứng nghiên cứu dựa trên kết quả của một nhóm khác dựa trên những quy tắc vật lý cơ bản như định luật bảo toàn năng lượng, đã đạt được tỷ lệ bay hơi cao gấp đôi giới hạn nhiệt lượng - tức là tối ưu được khả năng bay hơi của nước với một lượng nhiệt cho trước.

Ban đầu, hai nhà nghiên cứu Yaodong Tu và Gang Chen nghi ngờ khả năng bay hơi vượt trội của nước trước ánh sáng, cho tới khi họ bắt tay vào thử nghiệm. Hai nhà khoa học phỏng đoán nước bay hơi do tác động ánh sáng, tức là các hạt photon đã đánh bật những phân tử nước ra ngoài, gây ra hiện tượng bay hơi ngay trên bề mặt nơi nước và không khí tiếp xúc. Hiện tượng này hoàn toàn có thể xảy ra với các hạt nước có trong mây hay sương mù.

Trong phòng thí nghiệm, Yaodong Tu, Gang Chen và các cộng sự quan sát kỹ càng bề mặt của hydrogel, và đo đạc cách nó phản ứng với ánh sáng ở những bước sóng nhất định. Nhóm kiểm soát kỹ càng nhiệt sinh ra từ ánh sáng, khả năng bay hơi của nước cũng như nhiệt độ bề mặt, nhằm khẳng định khả năng ánh sáng có thể làm nước bay hơi mà không cần nhiệt.

Thử nghiệm cho thấy hiệu ứng bay hơi bằng ánh sáng mạnh nhất với bước sóng của ánh sáng xanh.

Khi thực hiện thử nghiệm tương tự nhưng thay ánh sáng bằng điện để sinh nhiệt, nước đã không thể bay hơi được nhiều như thử nghiệm trước. Hiện tượng chỉ xảy ra với ánh sáng, nên các nhà khoa học đã có thể khẳng định: chính ánh sáng đã khiến nước bay hơi.

Tuy bản thân nước cũng như vật liệu hydrogel không hấp thụ được nhiều ánh sáng, nhưng khi kết hợp lại, khả năng hấp thụ ánh sáng của chúng tăng cao, cho phép tổ hợp vật liệu tận dụng năng lượng từ hạt photon một cách hiệu quả. Nước đã có thể bay hơi chỉ với tác động từ ánh sáng, không cần phải pha thêm vật chất tối màu

Nhóm nghiên cứu đặt tên cho hiệu ứng này là “hiệu ứng quang phân tử - photomolecular effect”, và đang tìm cách ứng dụng nó trong thực tế. Hiện, họ đã nhận một khoản trợ cấp từ Phòng thí nghiệm Nước và Thực phẩm Abdul Latif Jameel nhằm nghiên cứu hiệu ứng quang phân tử trong hệ thống khử muối trong nước bằng năng lượng mặt trời, và một khoản trợ cấp từ Chương trình Nghiên cứu của giáo sư Ama G. Bose nhằm nghiên cứu cách ứng dụng hiệu ứng này trong dựng mô hình biến đổi khí hậu.

Theo giáo sư Gang Chen, hiệu ứng quang phân tử có thể giúp tăng sản lượng nước từ quá trình khử muối bằng năng lượng mặt trời. Hiện tại, hiệu năng mới chỉ đạt 1,5 kilogram muối/mét vuông bề mặt nước. Bằng hiệu ứng mới được phát hiện, hiệu năng có thể đạt gấp 3 hay 4 lần hiện tại.

Nhà nghiên cứu Yaodong Tu nhận định hiệu ứng quang phân tử có thể giúp cường hóa khả năng làm mát nhờ bay hơi, mang lại một hệ thống tản nhiệt hiệu quả chỉ với ánh sáng.

Theo MIT