Como a luz faz a água evaporar sem a necessidade de calor?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/04/2024

Foram 14 experimentos diferentes para não deixar dúvidas de que a evaporação é realmente causada pela luz.
[Imagem: Guangxin Lv et al. - 10.1073/pnas.2320844121]

Fotoevaporação

No final do ano passado, cientistas do MIT, nos EUA, descobriram que a evaporação pode ser causada apenas pela luz, sem calor.

Nesse fenômeno inesperado, a luz provoca diretamente a evaporação na interface onde a água encontra o ar, sem a necessidade de calor - na verdade, a evaporação induzida pela luz, gerada por um efeito fotomolecular, é ainda mais eficiente do que a evaporação induzida pelo calor.

Naquele experimento, a água evaporava de um hidrogel. Agora, contudo, a mesma equipe demonstrou que o fenômeno ocorre em larga escala na natureza, das nuvens e nevoeiros até as superfícies dos oceanos, solos e plantas, o que abre caminho para aplicações práticas da fotoevaporação, incluindo a produção de energia e de água potável e a secagem de materiais na indústria.

A descoberta também pode ajudar a explicar medições misteriosas ao longo dos anos de como a luz solar afeta as nuvens e, portanto, afetar os cálculos dos efeitos das alterações climáticas na cobertura de nuvens e nas chuvas. E ainda poderá viabilizar novas formas de projetar processos industriais, como a dessalinização movida a energia solar.

"Eu penso que isso tem muitas aplicações," disse o professor Gang Chen. "Estamos explorando todas essas diferentes direções. E, claro, isso também afeta a ciência básica, como os efeitos das nuvens no clima, porque as nuvens são o aspecto mais incerto dos modelos climáticos."

Dispositivo de laboratório projetado para medir o efeito fotomolecular usando feixes de laser.
[Imagem: Bryce Vickmark]

Evaporação causada pela luz, não pelo calor

Este novo trabalho baseia-se nas pesquisas relatadas no ano passado, que descreveram este novo "efeito fotomolecular". Naquela ocasião, o efeito foi demonstrado apenas sob condições muito especiais, na superfície de hidrogéis embebidos em água. Agora, os pesquisadores demonstraram que o hidrogel não é necessário para o processo, que ocorre em qualquer superfície de água exposta à luz, seja uma superfície plana, como um corpo de água (como um rio ou o mar), ou uma superfície curva, como uma gota de vapor de nuvem.

Como o efeito foi tão inesperado, a equipe trabalhou para provar sua existência com tantas linhas de evidência diferentes quanto possível. Eles fizeram 14 tipos diferentes de testes e medições para estabelecer que a água estava de fato evaporando - isto é, moléculas de água estavam sendo soltas da superfície da água e flutuando no ar - devido apenas à luz, e não pelo calor, que durante tanto tempo foi considerado o único mecanismo envolvido na evaporação.

Um indicador chave, que apareceu consistentemente em quatro tipos diferentes de experimentos sob diferentes condições, foi que, à medida que a água começa a evaporar de um recipiente iluminado por luz visível, a temperatura do ar acima da superfície da água diminui e depois se estabiliza, mostrando que a energia térmica não é a força motriz por trás do efeito.

Outros indicadores importantes que apareceram incluem o modo como o efeito da evaporação varia dependendo do ângulo da luz, da cor exata da luz e da sua polarização. Nenhuma dessas características deveria variar porque, nesses comprimentos de onda, a água dificilmente absorve luz - e ainda assim os experimentos mostraram a água absorvendo a luz e gerando o efeito de fotoevaporação.

• Efeito fotoiônico: Luz cria corrente de íons

A equipe propôs uma teoria, mas que ainda não consegue explicar toda a amplitude do efeito fotomolecular.
[Imagem: Guangxin Lv et al. - 10.1073/pnas.2320844121]

Efeito fotomolecular

A equipe batizou a evaporação induzida pela luz de efeito fotomolecular por analogia com o efeito fotoelétrico descoberto por Heinrich Hertz em 1887 e finalmente explicado por Albert Einstein em 1905 - no caso atual também falta uma explicação teórica completa.

O efeito fotoelétrico foi uma das primeiras demonstrações de que a luz possui características de partículas - os fótons -, o que teve implicações importantes na física e levou a uma ampla variedade de aplicações, incluindo os LEDs. Assim como o efeito fotoelétrico libera elétrons dos átomos de um material em resposta ao impacto de um fóton de luz, o efeito fotomolecular mostra que os fótons podem liberar moléculas inteiras de uma superfície líquida, dizem os pesquisadores.

Os experimentos mostraram que o efeito fotomolecular é mais forte quando a luz atinge a superfície da água em um ângulo de 45 graus. Ele também é forte com um certo tipo de polarização, chamada polarização magnética transversal. E atinge o pico na luz verde, o que também é muito estranho, já que verde é a cor para a qual a água é mais transparente e, portanto, interage menos.

A equipe propôs um mecanismo físico que pode explicar o papel do ângulo e da dependência da polarização, mostrando que os fótons de luz podem transmitir uma força resultante nas moléculas de H₂O na superfície da água que é suficiente para soltá-las do corpo de água. Mas eles ainda não conseguem explicar a dependência da cor, o que exigirá estudos mais aprofundados.

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