- पानी का वाष्पीकरण आम तौर पर heat input से समझाया जाता रहा है, लेकिन MIT शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि पानी और हवा के मिलने वाली interface पर रोशनी सीधे वाष्पीकरण करा सकती है
- hydrogel में बंधा पानी पिछले प्रयोगों में thermal limit से 2 गुना, 3 गुना से भी अधिक तेज़ी से वाष्पित हुआ, और MIT टीम ने नए प्रयोगों, simulations और पुराने परिणामों की पुनर्समीक्षा से इसकी पुष्टि की
- अलग-अलग रंगों की रोशनी डालने पर evaporation rate wavelength के अनुसार बदला और green wavelength पर अपने peak पर पहुंचा; वहीं समान heat input electric heating से देने पर यह limit पार नहीं कर पाया
- शोधकर्ता इस घटना को photomolecular effect कहते हैं और solar desalination, drying और evaporative cooling processes में इसके उपयोग के तरीके पर काम कर रहे हैं
- यह fog और clouds के बनने व विकसित होने को भी प्रभावित कर सकता है, इसलिए climate model accuracy और अन्य research groups द्वारा reproducibility verification अहम काम बने हुए हैं
पानी के वाष्पीकरण की समझ में छूटा हुआ तत्व
- वाष्पीकरण पसीने से cooling या सुबह की धूप में गायब होती ओस जैसा परिचित phenomenon है, लेकिन इस प्रक्रिया की वैज्ञानिक समझ में एक कमी हो सकती है
- हाल के वर्षों में कुछ शोधकर्ताओं ने देखा कि sponge-type material hydrogel में मौजूद पानी, मिली हुई heat से समझाई जा सकने वाली गति से कहीं अधिक तेज़ वाष्पित होता है
- अतिरिक्त evaporation rate theoretical maximum के 2 गुना, 3 गुना से अधिक तक पहुंच सकता था
- theoretical maximum से मतलब energy conservation जैसे basic physics principles के अनुसार दिए गए heat input से संभव अधिकतम evaporation amount है
MIT शोधकर्ताओं का निष्कर्ष और paper
- MIT शोधकर्ताओं ने नए experiments और simulations, तथा thermal limit पार होने की रिपोर्ट देने वाले कई groups के results की पुनर्समीक्षा के बाद निष्कर्ष निकाला कि पानी और हवा की interface पर रोशनी खुद वाष्पीकरण करा सकती है
- प्रयोगों में पानी hydrogel के भीतर था, लेकिन शोधकर्ताओं का मानना है कि यह घटना अन्य conditions में भी हो सकती है
- शोध परिणाम PNAS paper “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.” में प्रकाशित हुए
यह खोज चौंकाने वाली क्यों है
- पानी खुद रोशनी को बहुत अधिक absorb नहीं करता, इसलिए साफ पानी में कई मीटर नीचे तक भी अपेक्षाकृत स्पष्ट देखा जा सकता है
- शोधकर्ताओं ने भी शुरुआत में solar desalination की evaporation process का अध्ययन करते हुए sunlight को heat में बदलने के लिए पानी में काले light-absorbing particles डाले थे
- बाद में उन्हें दूसरे group का वह शोध मिला, जिसमें hydrogel में बंधे पानी में thermal limit के 2 गुना तक evaporation rate हासिल किया गया था, और MIT team शुरू में skeptical थी
- Chen और Tu ने उस group के hydrogel pieces सहित अपने experiments शुरू किए और solar simulator के नीचे असामान्य रूप से ऊंचा evaporation rate देखा
प्रयोग का तरीका और प्रमुख प्रमाण
- शोधकर्ताओं ने ज्यादातर पानी से बने और पतली film के sponge-type lattice में बंधे JELL-O जैसे hydrogel surface का observation किया
- बहुत नियंत्रित wavelengths वाली simulated sunlight को hydrogel surface पर क्रम से डाला और evaporation rate मापा
- पानी-भरे hydrogel वाला container scale पर रखा गया, और evaporation से घटती mass को सीधे मापा गया
- hydrogel surface के ऊपर का temperature भी साथ-साथ monitor किया गया
- lighting से अतिरिक्त heat न जुड़ जाए, इसके लिए shielding की गई
- evaporation effect रोशनी के color के अनुसार बदलता था, और एक खास green wavelength पर maximum दिखा
- color dependence को सिर्फ heat से समझाना मुश्किल है, इसलिए यह interpretation मजबूत होता है कि रोशनी खुद evaporation के एक हिस्से को trigger करती है
- उसी उपकरण में बिना रोशनी के electric heating से material को गर्म कर समान heat input देने पर evaporation amount thermal limit पार नहीं कर पाया
- इसके उलट simulated sunlight चालू करने पर यह thermal limit से आगे निकल गया, जिससे पुष्टि हुई कि अतिरिक्त evaporation की वजह रोशनी है
photomolecular effect नामक hypothesis
- शोधकर्ताओं का मानना है कि light के photons पानी की सतह से water molecule clusters को सीधे अलग कर सकते हैं
- यह effect केवल hydrogel surface पर पानी-हवा की boundary layer में हो सकता है
- समुद्र की सतह या clouds और fog के अंदर water droplets की सतह पर भी यही phenomenon होने की संभावना है
- Chen के अनुसार पानी खुद और hydrogel खुद बहुत अधिक रोशनी absorb नहीं करते, लेकिन दोनों मिलकर strong absorber बन जाते हैं
- यह combination dark dyes के बिना भी solar photons की energy का प्रभावी उपयोग कर thermal limit पार कर सकता है
desalination, drying और cooling में संभावित उपयोग
- शोधकर्ता इस effect को photomolecular effect कहते हैं और इसके practical usage के तरीकों पर research कर रहे हैं
- MIT के Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab के support से solar desalination system efficiency सुधारने पर research चल रही है
- Bose Grant के जरिए climate change modeling पर इस phenomenon के प्रभाव को explore किया जा रहा है
- standard desalination process आम तौर पर दो steps में होती है
- पहले पानी को vapor में evaporate किया जाता है
- फिर vapor को condense कर freshwater में liquefy किया जाता है
- Tu का मानना है कि यह खोज evaporation step की efficiency बढ़ा सकती है
- Chen का विचार है कि principle में मौजूदा solar desalination की water production limit, जो प्रति square meter 1.5kg है, light-based approach से 3–4 गुना तक बढ़ सकती है
- जिन processes में materials को dry करना होता है, उनमें भी इसका application हो सकता है
- Tu के अनुसार phase change का उपयोग करके high-efficiency solar cooling system देने वाली evaporative cooling process में भी इसका इस्तेमाल संभव है
climate models और reproducibility verification
- यह phenomenon fog और clouds के formation और evolution को प्रभावित कर सकता है
- ऐसे मामले में climate models की accuracy बढ़ाने के लिए इस effect को models में शामिल करना महत्वपूर्ण हो सकता है
- अप्रत्याशित results और उन्हें समझाने वाली hypothesis पर skepticism को पार करने के लिए, शोधकर्ता results reproduce करने की कोशिश कर रहे अन्य groups के साथ closely collaborate कर रहे हैं
2 टिप्पणियां
सिर्फ शीर्षक देखकर लगा कि शायद यह photoelectric effect जैसी कोई चीज़ होगी।
Hacker News की राय
शोधकर्ताओं ने कहा कि असर हरे रंग की एक खास wavelength पर सबसे ज़्यादा होता है, तो सोच रहा हूँ कि क्या इसका photosynthesis पर भी असर पड़ता है
मुझे याद है कि पौधे chlorophyll के कारण हरा नहीं सोखते, इसलिए हरे दिखते हैं, लेकिन क्या ऐसा भी हो सकता है कि हरी रोशनी evaporation को बहुत ज़्यादा बढ़ा देती हो?
हरा visible spectrum में बहुत ही ज़्यादा चमकीला होता है, जबकि गहरा बैंगनी सबसे कम चमकीला। बैंगनी परावर्तित करने वाले पौधे visible light का सबसे अधिक हिस्सा absorb कर सकते हैं और सबसे ज़्यादा sugar बना सकते हैं। ज़्यादातर पौधों को production mode से dark mode में जाने के लिए chemical switching चाहिए, इसलिए हरा परावर्तित करके वे अधिकतम energy production छोड़ते हैं और बदले में अंदरूनी chemical stability पाते हैं
पौधों में खून पंप करके nutrients पहुँचाने वाला दिल नहीं होता, इसलिए जड़ों से ऊपर nutrients ले जाने के लिए उन्हें evaporation पर निर्भर रहना पड़ता है
मुझे एक शोध याद है जिसमें कहा गया था कि पेड़ हवा में किसी तरह की धुंध छोड़ते हैं, तो लगता है कि हरे पत्ते उस प्रक्रिया में भी मदद कर सकते हैं
मुझे समझ नहीं आ रहा कि thermodynamics के हिसाब से इसका मतलब क्या है
liquid water को water vapor में बदलने के लिए प्रति द्रव्यमान जितनी energy चाहिए, क्या वह तय नहीं होती? फिर वह energy रोशनी से आए या किसी और तरह, फर्क क्यों पड़ेगा?
आम तौर पर evaporation तब होता है जब अलग-अलग water molecules इतनी thermal energy पा लेते हैं कि intermolecular bonds तोड़कर liquid bulk से निकलकर हवा में चले जाएँ
इस मामले में उन्हें मजबूत सबूत मिला है कि water molecules कई molecules के बंधे हुए समूह के रूप में हटते हैं। ऐसे समूहों में molecules के बीच के bonds अभी टूटे नहीं होते, इसलिए अलग-अलग molecules के रूप में evaporate होने की तुलना में हवा में जाने के लिए कम thermal energy चाहिए। बाद में ये समूह हवा में टूटते हैं, हवा से thermal energy absorb करते हैं, और sample की सतह से कुछ mm ऊपर की हवा का तापमान थोड़ा कम कर देते हैं
molecules के समूह के रूप में evaporation होना अजीब बात है और सामान्य evaporation से बहुत अलग है। जब तक ये समूह अलग-अलग molecules में न टूटें, तब तक इन्हें पूरी तरह water vapor कहना मुश्किल है, इसलिए इसे evaporation कहना भी सही है या नहीं, इस पर भी मुझे भरोसा नहीं
यानी प्रति द्रव्यमान energy के हिसाब से जो उम्मीद होती है, उससे बहुत तेज़ evaporation हुआ
जैसे photons उन molecules को hit कर रहे हों जो पहले से ही gas phase में जाने के कगार पर हैं, और बस उतने से उन्हें धुंध जैसी अवस्था में भेज देते हों। ऐसा नहीं कि पानी गरम होकर बाहर उछल रहा हो, बल्कि कुछ वैसा जैसे humidifier की तरह gas phase की ओर धकेला जा रहा हो
paper light और “heat” में फर्क कर रहा है, लेकिन इस प्रयोग के संदर्भ में यह ज़्यादा इस बात का फर्क है कि energy पहुँचाई कैसे जाती है। क्या पूरे पानी को गरम करके energy दी जाती है, या रोशनी डालकर अलग-अलग water molecules के साथ interaction कराया जाता है
व्यावहारिक रूप से इससे evaporation efficiency बढ़ सकती है। पूरे पानी को गरम करने पर नुकसान ज़्यादा होता है, और दी गई energy का बड़ा हिस्सा पानी तक नहीं पहुँचता। अगर ऐसी specific wavelengths मिल जाएँ जो पानी के साथ मज़बूती से interact करके evaporation कराएँ, तो इस प्रक्रिया में बर्बाद होने वाली input energy को बहुत कम किया जा सकता है
एक non-expert समझ से पूछूँ, क्या इसका संबंध पानी के electromagnetic absorption spectrum से हो सकता है?
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
लेख में बताई गई “हरी” wavelength देखने पर लगभग वही बिंदु लगती है जहाँ absorption सबसे कम है। तो क्या इसका मतलब है कि heat electromagnetic resistance का नतीजा है? जैसे microwave की वजह से water molecules vibrate करते हैं
इसी तरह chemical sunscreen में कई bonds खास wavelengths को absorb करके vibrate करते हैं और UV को heat में बदल देते हैं
संबंधित paper है “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit” (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120
इसमें कहा गया है कि evaporation rate हरी wavelength 520nm पर peak करता है, रोशनी के नीचे vapor का तापमान कम हो जाता है, और surface से water molecule clusters के अलग होने वाले photomolecular effect की hypothesis दी गई है। उनका मानना है कि इसका असर प्राकृतिक प्रणालियों, climate, पौधों की growth के साथ-साथ clean water और energy technology पर भी पड़ सकता है
सोच रहा हूँ कि क्या low-cost integrated photonics desalination या sterilization जैसी चीज़ों में मदद कर सकती है। इससे जुड़ी अलग-अलग production cost वाली integrated photonics methods भी हैं: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
यह वाकई शानदार है, लेकिन हैरानी होती है कि अब तक यह संयोग से क्यों नहीं मिला
मोटे तौर पर हिसाब लगाने पर भी यह काफी स्पष्ट होना चाहिए था, या फिर क्या यह इस्तेमाल किए गए hydrogel की विशेषताओं से ज़्यादा जुड़ा हुआ है?
उन्होंने बताया था कि electron charge के measured values समय के साथ कैसे बेहतर होते गए। जो संख्याएँ Millikan value से बहुत ज़्यादा आती थीं, उन्हें लोग कुछ गलत मानकर वजह ढूंढ लेते थे, लेकिन अगर वे Millikan value के करीब हों तो उन पर कम शक किया जाता था। इसलिए बहुत अलग दिखने वाली संख्याओं को हटाने जैसी बातें होती थीं, और आजकल लोग ऐसी आदतों से बचने के तरीके सीख चुके हैं, यही उसका सार था
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
chemistry, materials science, और condensed matter physics में ऐसा हमेशा होता है। संयोजनों के तरीके अनगिनत हैं, और उनमें से सिर्फ कुछ ही दिलचस्प होते हैं। ऐसे प्रभावों को अलग करके पहचानने के लिए बहुत हाथ का काम करना पड़ता है
लेख में यह नहीं दिखा, लेकिन दो बातें हैं जिन पर ज़रूर कहीं न कहीं विचार किया गया होगा
पानी से घिरे पानी के अणुओं और hydrogel के भीतर के पानी के बीच bonding strength कैसे अलग है, और शुद्ध पानी की सतह हवा के संपर्क में होने पर तथा पानी-hydrogel सतह हवा के संपर्क में होने पर partial pressure का अंतर कैसा होता है
इस पर बेहद दिलचस्प follow-up research की ज़रूरत लगती है
लगता है यहाँ कुछ गलतफहमी है। इस शोध में यह पाया गया है कि जब पानी hydrogel की boundary layer में होता है, तो वह ऐसी रोशनी absorb करता है जिसे वह सामान्यतः absorb नहीं करता, और इसलिए सिर्फ गर्म करने की तुलना में अधिक तेज़ी से evaporate होता है — यानी कोई अज्ञात mechanism काम कर रहा है
अगर यह कोई गलती या अस्थिर side reaction नहीं है, तो desalination जैसे काम, जहाँ evaporation की ज़रूरत होती है, सस्ते हो सकते हैं
लेकिन लगता है कि बहुत लोग इसे energy conservation के नियम का उल्लंघन समझ रहे हैं
सोचता हूँ, किसी को इस प्रभाव का उपयोग करके heat pump बनाने का तरीका खोजने में कितना समय लगेगा
compressor की ज़रूरत नहीं होगी, इसलिए ऐसी “photomolecular heat pump” को शायद छोटा बनाना आसान हो सकता है। यह भी दिलचस्प है कि क्या पानी के अलावा कोई और solvent या refrigerant इससे बेहतर working fluid बन सकता है
शायद आपका मतलब यह है कि photomolecular effect से heat pump के evaporator में refrigerant को boil कराया जाए, लेकिन boiling एक bulk process है, जो तब होता है जब fluid का तापमान इतना बढ़ जाता है कि intermolecular bonds हर जगह टूटने लगते हैं। evaporation सतह पर होने वाली प्रक्रिया है, जहाँ कुछ अणु संयोग से intermolecular bonds से निकलकर आसपास की हवा में मिल जाते हैं। नाम के बावजूद, heat pump के evaporator में जो होता है वह evaporation नहीं बल्कि boiling है
photomolecular effect boiling नहीं कराता, सिर्फ evaporation कराता है। और आप evaporator में वास्तविक evaporation होना भी नहीं चाहेंगे। तब हवा की ज़रूरत पड़ेगी, और फिर refrigerant के साथ बहुत सारी हवा भी compress करनी पड़ेगी, जिससे बहुत ऊर्जा बर्बाद होगी
मेरे दिमाग में सबसे पहले cooling tower का उपयोग आया था। cooling tower पानी के evaporation से कई process fluids को ठंडा करते हैं। लेकिन cooling tower में हम चाहते हैं कि evaporation पानी से heat सोखे और उसका तापमान घटाए। यह प्रभाव तो light और air की heat का उपयोग करता है, इसलिए वास्तव में पानी से खींची जाने वाली heat की मात्रा कम कर देता है
अगर इसका कोई engineering application है, तो वह शायद drying process या passive desalination जैसी जगहों में होगा, जहाँ अंतिम लक्ष्य स्वयं पानी का evaporate होना है
Gang Chen वही व्यक्ति हैं जिन्हें हाल में चीन के साथ research collaboration को लेकर अमेरिकी सरकार ने अनुचित रूप से बदनाम किया था और उन पर मुकदमा चलाया था
उन्हें फिर से संभलते देखना अच्छा लग रहा है
संबंधित चल रही थ्रेड: Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574