- L’évaporation de l’eau est généralement expliquée par un apport de chaleur, mais des chercheurs du MIT concluent que la lumière peut directement provoquer l’évaporation à l’interface entre l’eau et l’air
- De l’eau liée dans un hydrogel s’est évaporée plus de 2 à 3 fois plus vite que la limite thermique observée dans des expériences antérieures, et l’équipe du MIT l’a confirmé par de nouvelles expériences, des simulations et une réanalyse de résultats existants
- En exposant l’échantillon à des lumières de différentes couleurs, le taux d’évaporation variait selon la longueur d’onde et atteignait un pic dans le vert ; lorsque le même apport thermique était fourni par chauffage électrique, la limite n’était pas dépassée
- Les chercheurs appellent ce phénomène photomolecular effect et étudient des moyens de l’exploiter pour le dessalement solaire, le séchage et les procédés de refroidissement par évaporation
- Comme il pourrait aussi influencer la formation et l’évolution du brouillard et des nuages, l’amélioration de la précision des modèles climatiques et la reproduction des résultats par d’autres équipes restent des enjeux importants
Un élément qui a peut-être manqué dans la compréhension de l’évaporation de l’eau
- L’évaporation est un phénomène familier, qu’il s’agisse du refroidissement par la sueur ou de la rosée qui disparaît au soleil du matin, mais il pourrait y avoir eu une lacune dans la compréhension scientifique de ce processus
- Ces dernières années, certains chercheurs ont observé que l’eau contenue dans des hydrogels, des matériaux spongieux, s’évaporait bien plus vite que ne le permet la quantité de chaleur reçue
- Le taux d’évaporation excédentaire pouvait atteindre 2 fois, voire plus de 3 fois le maximum théorique
- Ce maximum théorique désigne la quantité maximale d’évaporation possible pour un apport thermique donné, selon des principes physiques fondamentaux comme la conservation de l’énergie
Conclusion de l’équipe du MIT et publication
- Après de nouvelles expériences, des simulations et une réévaluation des résultats de plusieurs groupes ayant signalé un dépassement de la limite thermique, l’équipe du MIT a conclu que la lumière elle-même peut provoquer l’évaporation à l’interface entre l’eau et l’air
- Dans les expériences, l’eau se trouvait dans un hydrogel, mais les chercheurs estiment que ce phénomène pourrait aussi se produire dans d’autres conditions
- Les résultats ont été publiés dans un article des PNAS : “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.”
Pourquoi cette découverte est surprenante
- L’eau elle-même n’absorbe pas fortement la lumière, ce qui explique qu’on puisse voir relativement clairement jusqu’à plusieurs mètres de profondeur dans une eau propre
- Au départ, l’équipe étudiait le processus d’évaporation dans le dessalement solaire et ajoutait à l’eau des particules noires absorbant la lumière pour convertir la lumière du soleil en chaleur
- Elle a ensuite découvert les travaux d’un autre groupe ayant obtenu, avec de l’eau liée dans un hydrogel, un taux d’évaporation atteignant deux fois la limite thermique, ce qui a d’abord suscité le scepticisme de l’équipe du MIT
- Chen et Tu ont alors lancé leurs propres expériences, y compris avec des fragments d’hydrogel de ce groupe, et ont confirmé des taux d’évaporation anormalement élevés sous un simulateur solaire
Méthode expérimentale et preuves clés
- Les chercheurs ont observé la surface d’un hydrogel semblable à de la gelée, constitué en grande partie d’eau liée dans un réseau spongieux en fine membrane
- Ils ont mesuré le taux d’évaporation en exposant successivement la surface de l’hydrogel à une lumière solaire simulée de longueurs d’onde précisément contrôlées
- Le récipient contenant l’hydrogel chargé d’eau était placé sur une balance afin de mesurer directement la perte de masse due à l’évaporation
- La température à la surface de l’hydrogel était également surveillée
- Un blindage empêchait l’éclairage d’apporter une chaleur supplémentaire
- L’effet d’évaporation variait selon la couleur de la lumière et atteignait un maximum pour une longueur d’onde verte particulière
- Cette dépendance à la couleur est difficile à expliquer par la seule chaleur et renforce l’interprétation selon laquelle la lumière elle-même provoque une partie de l’évaporation
- Lorsque le matériau était chauffé électriquement avec le même apport thermique, sans lumière, la quantité évaporée ne dépassait pas la limite thermique
- En revanche, lorsque la lumière solaire simulée était allumée, cette limite était dépassée, confirmant que la lumière était la cause de l’évaporation supplémentaire
L’hypothèse du photomolecular effect
- Les chercheurs estiment que les photons lumineux peuvent arracher directement des amas de molécules d’eau à la surface de l’eau
- Cet effet ne pourrait se produire que dans la couche d’interface eau-air à la surface de l’hydrogel
- Le même phénomène pourrait aussi se produire à la surface des océans ou des gouttelettes d’eau dans les nuages et le brouillard
- Selon Chen, ni l’eau seule ni l’hydrogel seul n’absorbent fortement la lumière, mais leur combinaison devient un absorbeur puissant
- Cette combinaison pourrait exploiter efficacement l’énergie des photons solaires sans colorant sombre et dépasser ainsi la limite thermique
Potentiel d’application pour le dessalement, le séchage et le refroidissement
- Les chercheurs appellent ce phénomène photomolecular effect et étudient actuellement comment l’exploiter concrètement
- Avec le soutien de l’Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab du MIT, ils travaillent à améliorer l’efficacité des systèmes de dessalement solaire
- Grâce à une Bose Grant, ils explorent aussi l’impact possible de ce phénomène sur la modélisation du changement climatique
- Les procédés classiques de dessalement se déroulent généralement en deux étapes
- D’abord, l’eau est évaporée en vapeur
- Ensuite, cette vapeur est condensée pour redevenir de l’eau douce liquide
- Selon Tu, cette découverte pourrait améliorer l’efficacité de l’étape d’évaporation
- Chen estime qu’en principe, l’approche fondée sur la lumière pourrait multiplier par 3 à 4 la limite actuelle de production d’eau en dessalement solaire, soit 1.5kg par mètre carré
- Elle pourrait aussi s’appliquer à des procédés nécessitant de sécher des matériaux
- Tu estime également qu’elle pourrait être utilisée dans des procédés de refroidissement par évaporation offrant des systèmes de refroidissement solaire à haut rendement grâce au changement de phase
Modèles climatiques et validation par reproduction
- Ce phénomène pourrait influencer la formation et l’évolution du brouillard et des nuages
- Si c’est le cas, l’intégrer aux modèles pourrait être important pour améliorer la précision des modèles climatiques
- Pour dépasser le scepticisme suscité par ces résultats inattendus et l’hypothèse avancée pour les expliquer, l’équipe travaille étroitement avec d’autres groupes qui tentent de reproduire les résultats
2 commentaires
À la seule lecture du titre, on pourrait croire à quelque chose de similaire à l’effet photoélectrique.
Avis sur Hacker News
Les chercheurs disent que l’effet atteint un maximum à une longueur d’onde verte précise ; je me demande si cela a aussi un impact sur la photosynthèse.
Je me souviens que les plantes paraissent vertes parce que la chlorophylle n’absorbe pas le vert, mais je me demande si ce ne serait pas aussi parce que la lumière verte provoque trop d’évaporation.
Le vert est de très loin la couleur la plus lumineuse du spectre visible, et le violet sombre est la moins lumineuse. Une plante qui réfléchirait le violet absorberait le plus de lumière visible et pourrait produire le plus de sucres. La plupart des plantes ont besoin d’une transition chimique pour passer du mode production au mode sombre ; en réfléchissant le vert, elles renoncent en quelque sorte à une production d’énergie maximale pour gagner en stabilité chimique interne.
Les plantes n’ont pas de cœur qui pompe le sang pour distribuer les nutriments ; elles doivent donc compter sur l’évaporation pour faire remonter les nutriments depuis les racines.
Je me souviens aussi d’une étude disant que les arbres émettent une sorte de brume dans l’air ; je me dis que les feuilles vertes pourraient aussi aider ce processus.
Je ne comprends pas bien ce que cette histoire signifie du point de vue thermodynamique.
L’énergie par unité de masse nécessaire pour transformer de l’eau liquide en vapeur d’eau n’est-elle pas fixe ? Je ne vois pas pourquoi elle changerait selon que cette énergie vient de la lumière ou d’autre chose.
En général, l’évaporation se produit quand des molécules d’eau individuelles acquièrent assez d’énergie thermique pour rompre les liaisons intermoléculaires, quitter la masse liquide et passer dans l’air.
Dans ce cas, ils ont trouvé des preuves solides que les molécules d’eau sont retirées sous forme de groupes de plusieurs molécules. Dans ces groupes, les liaisons intermoléculaires ne sont pas encore rompues ; il faut donc moins d’énergie thermique pour passer dans l’air que lors d’une évaporation en molécules individuelles. Ces groupes se fragmentent ensuite dans l’air en absorbant de l’énergie thermique de celui-ci, ce qui abaisse légèrement la température de l’air à quelques millimètres de la surface de l’échantillon.
Une évaporation sous forme de groupes de molécules est quelque chose d’étrange, très différent de l’évaporation habituelle. Avant que ces groupes ne se fragmentent en molécules individuelles, il est difficile de les considérer comme de la vraie vapeur d’eau ; je ne suis donc même pas sûr qu’on puisse appeler cela de l’évaporation.
Autrement dit, elle s’évapore bien plus vite que ce qu’on prévoirait simplement à partir de l’énergie par unité de masse.
On dirait que les photons frappent des molécules déjà sur le point de passer côté gaz, et que cela suffit à les transformer en une sorte de brouillard. Ce n’est pas que l’eau chauffe puis s’échappe ; cela donne plutôt l’impression qu’elle est poussée vers la phase gazeuse, comme dans un humidificateur.
L’article distingue la lumière de la « chaleur », mais dans le contexte de cette expérience, il s’agit plutôt d’une différence dans la manière de transférer l’énergie : chauffer toute l’eau, ou bien l’éclairer pour interagir avec des molécules d’eau individuelles.
En pratique, cela pourrait améliorer l’efficacité de l’évaporation. Chauffer toute l’eau entraîne de fortes pertes, et une grande partie de l’énergie injectée ne va pas dans l’eau. Si l’on peut trouver des longueurs d’onde précises qui interagissent fortement avec l’eau et provoquent l’évaporation, on pourrait fortement réduire l’énergie d’entrée perdue dans le processus.
En tant que non-spécialiste, je me demande si cela pourrait être lié au spectre d’absorption électromagnétique de l’eau.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
La longueur d’onde « verte » mentionnée dans l’article semble correspondre exactement à un point où l’absorption est minimale. Est-ce que cela voudrait dire que la chaleur naît de la résistance électromagnétique ? Comme lorsque les micro-ondes font vibrer les molécules d’eau.
De manière similaire, les écrans solaires chimiques transforment les UV en chaleur quand plusieurs liaisons absorbent certaines longueurs d’onde et se mettent à vibrer.
L’article scientifique lié est « Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit » (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120.
Le taux d’évaporation atteint un maximum à 520 nm, une longueur d’onde verte ; sous la lumière, la température de la vapeur diminue ; et les auteurs avancent l’hypothèse d’un effet photomoléculaire où des groupes de molécules d’eau se détachent de la surface. Ils estiment que cela pourrait avoir des implications pour la nature, le climat et la croissance des plantes, ainsi que pour les technologies de l’eau propre et de l’énergie.
Je me demande si la photonique intégrée à faible coût pourrait aider dans des domaines comme le dessalement ou la stérilisation. À ce sujet, il existe aussi différentes méthodes de photonique intégrée avec des coûts de production variés : https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
C’est vraiment fascinant, mais je ne comprends pas pourquoi on ne l’a pas découvert par hasard jusqu’ici.
Même un calcul grossier aurait semblé assez clair ; ou bien est-ce plutôt lié aux particularités de l’hydrogel utilisé ?
En racontant comment les mesures de la charge de l’électron s’étaient progressivement améliorées, il expliquait que lorsqu’un résultat était trop supérieur à la valeur de Millikan, on considérait qu’il y avait un problème et on finissait par en trouver la raison ; s’il était proche de la valeur de Millikan, on le soupçonnait moins. On en venait ainsi à écarter les valeurs trop éloignées, et aujourd’hui nous avons appris ces ficelles, ce qui nous rend moins sujets à ce travers.
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
En chimie, en science des matériaux et en physique de la matière condensée, ce genre de chose arrive tout le temps. Les combinaisons possibles sont infinies, et seules certaines sont intéressantes. Isoler ce type de phénomène demande beaucoup de travail manuel.
Il y a deux choses que je n’ai pas vues dans l’article, mais qui ont certainement été prises en compte quelque part, et qui m’intriguent.
Comment la force des liaisons diffère-t-elle entre une molécule d’eau entourée d’eau et l’eau dans l’hydrogel, et quelle serait la différence de pression partielle entre une surface d’eau pure exposée à l’air et une interface eau-hydrogel exposée à l’air ?
Cela semble appeler des travaux de suivi très intéressants.
Il me semble qu’il y a ici un malentendu. Cette étude a mis au jour un mécanisme inconnu par lequel l’eau, lorsqu’elle se trouve dans la couche limite de l’hydrogel, absorbe une lumière qu’elle n’absorberait normalement pas, et s’évapore donc plus vite que si elle était simplement chauffée.
Si ce n’est ni une erreur ni une réaction secondaire non durable, cela pourrait rendre moins coûteuses des opérations nécessitant de l’évaporation, comme le dessalement.
Mais beaucoup semblent l’interpréter comme une violation de la conservation de l’énergie.
Je me demande combien de temps il faudra avant que quelqu’un trouve comment exploiter cet effet pour fabriquer une pompe à chaleur.
Comme il n’y aurait pas besoin de compresseur, ce genre de « pompe à chaleur photomoléculaire » pourrait peut-être être plus facile à miniaturiser. Je me demande aussi si d’autres solvants ou réfrigérants pourraient constituer des fluides de travail plus efficaces que l’eau ; c’est vraiment intéressant.
Je suppose que l’idée serait d’utiliser l’effet photomoléculaire pour faire bouillir le réfrigérant dans l’évaporateur d’une pompe à chaleur, mais l’ébullition est un phénomène de volume qui se produit lorsque la température du fluide monte suffisamment pour que toutes les liaisons intermoléculaires commencent à se rompre. L’évaporation, elle, se produit à la surface, lorsque certaines molécules échappent aléatoirement aux liaisons intermoléculaires et se mélangent à l’air ambiant. Contrairement à son nom, ce qui se produit dans l’évaporateur d’une pompe à chaleur n’est pas de l’évaporation, mais de l’ébullition.
L’effet photomoléculaire ne provoque pas l’ébullition, seulement l’évaporation. On ne voudrait probablement pas non plus d’une véritable évaporation dans l’évaporateur. Il faudrait de l’air, et il faudrait alors comprimer beaucoup d’air avec le réfrigérant, ce qui gaspillerait énormément d’énergie.
La première application qui m’est venue à l’esprit était celle des tours de refroidissement. Elles refroidissent divers fluides de procédé par évaporation de l’eau. Mais dans une tour de refroidissement, on veut que l’évaporation absorbe la chaleur de l’eau et en abaisse la température. Cet effet utilisant la lumière et la chaleur de l’air, il réduit en réalité la quantité de chaleur absorbée depuis l’eau.
S’il existe une application industrielle, ce sera probablement dans des procédés où l’objectif final est l’évaporation de l’eau elle-même, comme le séchage ou le dessalement passif.
Gang Chen est quelqu’un qui a récemment été injustement diffamé et poursuivi par le gouvernement américain au sujet de collaborations de recherche avec la Chine.
C’est agréable de le voir rebondir.
Fil de discussion connexe en cours : Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574