La evaporación ocurre a nuestro alrededor todo el tiempo, desde el sudor que enfría nuestros cuerpos hasta el rocío que se quema con el sol de la mañana. Pero es posible que a la comprensión científica de este proceso ubicuo le haya faltado una pieza durante todo este tiempo.
En los últimos años, algunos investigadores se han quedado perplejos al descubrir que el agua en sus experimentos, que estaba contenida en un material similar a una esponja conocido como hidrogel, se estaba evaporando a un ritmo mayor de lo que podría explicarse por la cantidad de calor o energía térmica que el agua estaba recibiendo. Y el exceso ha sido significativo: una duplicación, o incluso una triplicación o más, de la tasa máxima teórica.
Después de llevar a cabo una serie de nuevos experimentos y simulaciones, y de reexaminar algunos de los resultados de varios grupos que afirmaban haber superado el límite térmico, un equipo de investigadores del MIT ha llegado a una sorprendente conclusión: en determinadas condiciones, en la interfaz donde el agua se encuentra con el aire, la luz puede provocar directamente la evaporación sin necesidad de calor y, de hecho, lo hace incluso de manera más eficiente que el calor. En estos experimentos, el agua se mantuvo en un material de hidrogel, pero los investigadores sugieren que el fenómeno también puede ocurrir en otras condiciones.
Los hallazgos se publican esta semana en un artículo en PNAS , por el postdoctorado del MIT Yaodong Tu, el profesor de ingeniería mecánica Gang Chen y otras cuatro personas.
Múltiples usos
El fenómeno podría desempeñar un papel en la formación y evolución de la niebla y las nubes y, por tanto, sería importante incorporarlo a los modelos climáticos para mejorar su precisión, afirman los investigadores. Y podría desempeñar un papel importante en muchos procesos industriales, como la desalinización del agua con energía solar, permitiendo quizás alternativas al paso de convertir primero la luz solar en calor.
Los nuevos hallazgos son una sorpresa porque el agua en sí misma no absorbe la luz en un grado significativo. Es por eso que puedes ver claramente a través de agua limpia la superficie que se encuentra debajo. Entonces, cuando el equipo comenzó a explorar el proceso de evaporación solar para la desalinización, primero colocaron partículas de un material negro que absorbe la luz en un recipiente con agua para ayudar a convertir la luz solar en calor.
Después, el equipo se encontró con el trabajo de otro grupo que había logrado una tasa de evaporación que duplicaba el límite térmico, que es la mayor cantidad posible de evaporación que puede tener lugar para una determinada entrada de calor, basándose en principios físicos básicos como la conservación de energía.
Fue en estos experimentos que el agua se unió en un hidrogel. Aunque inicialmente se mostraron escépticos, Chen y Tu comenzaron sus propios experimentos con hidrogeles, incluido un trozo del material del otro grupo. “Lo probamos en nuestro simulador solar y funcionó”, confirmando la tasa de evaporación inusualmente alta, dice Chen. “Entonces les creímos”. Luego, Chen y Tu comenzaron a fabricar y probar sus propios hidrogeles.
Exceso de evaporación
Comenzaron a sospechar que el exceso de evaporación estaba siendo causado por la propia luz: que los fotones de luz en realidad estaban arrancando haces de moléculas de agua de la superficie del agua. Este efecto sólo se produciría en la capa límite entre el agua y el aire, en la superficie del material de hidrogel y quizás también en la superficie del mar o en la superficie de las gotas de las nubes o la niebla.
En el laboratorio, monitorearon la superficie de un hidrogel, una matriz similar a gelatina que consiste principalmente en agua unida por una red de membranas delgadas similar a una esponja. Midieron sus respuestas a la luz solar simulada con longitudes de onda controladas con precisión.
Los investigadores sometieron la superficie del agua a diferentes colores de luz en secuencia y midieron la tasa de evaporación. Lo hicieron colocando un recipiente de hidrogel cargado de agua en una báscula y midiendo directamente la cantidad de masa perdida por evaporación, además de monitorear la temperatura sobre la superficie del hidrogel. Las luces estaban protegidas para evitar que introdujeran calor adicional.
Los investigadores descubrieron que el efecto variaba con el color y alcanzaba su punto máximo en una longitud de onda particular de luz verde. Esta dependencia del color no tiene relación con el calor y, por lo tanto, respalda la idea de que es la luz misma la que causa al menos parte de la evaporación.