“ปรากฏการณ์โฟโตโมเลกุล (photomolecular effect)” ที่ค้นพบโดยนักวิจัยของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology หรือ MIT) รัฐแมสซาชูเซตส์ สหรัฐฯ อาจส่งผลต่อการคำนวณการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และอาจนำไปสู่การปรับปรุงกระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล (desalination) และกระบวนการทำแห้ง (drying process)
การระเหยของน้ำจากพื้นผิวมหาสมุทรและทะเลสาบ การจางลงของหมอกเพราะแสงแดดยามเช้า การแห้งลงของบ่อน้ำเค็มและทำให้เกิดเกลือ เป็นต้น เป็นกระบวนการระเหยที่มีอยู่รอบตัวเราที่มนุษย์ก็ได้สังเกตเห็นและได้ใช้ประโยชน์ ในการทดลองของทีมนักวิจัยจาก MIT แสดงให้เห็นว่า ไม่ใช่ความร้อนเพียงอย่างเดียวที่ทำให้น้ำระเหยได้ แต่แสงที่กระทบบนผิวน้ำซึ่งเป็นรอยต่อของน้ำและอากาศ ก็สามารถแยกโมเลกุลของน้ำและลอยไปในอากาศได้โดยไม่อาศัยแหล่งความร้อนใดๆ การค้นพบครั้งใหม่นี้อาจมีนัยสำคัญหลายประการ ซึ่งช่วยอธิบายว่าแสงแดดส่งผลต่อเมฆอย่างไร จึงส่งผลต่อการคำนวณการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่มีเมฆปกคลุมและมีการรวมตัวกันของละอองน้ำในบรรยากาศ (precipitation) นอกจากนี้ยังอาจนำไปสู่การออกแบบกระบวนการทางอุตสาหกรรมแนวใหม่ เช่น การแยกน้ำออกจากน้ำทะเลโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ หรือการอบแห้งวัสดุ รายละเอียดของการค้นพบนี้ได้มีการอธิบายไว้ในวารสาร PNAS โดย Carl Richard Soderberg ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมพลังงาน และคณะทำงาน การศึกษานี้ชี้ให้เห็นว่าปรากฏการณ์การระเหยของน้ำด้วยแสงนี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ตั้งแต่เมฆและหมอก ไปจนถึงพื้นผิวมหาสมุทร ดิน และพืช และอาจนำไปสู่การประยุกต์ใช้ใหม่ๆ รวมถึงการผลิตพลังงาน และน้ำสะอาด
การศึกษาครั้งใหม่นี้ต่อยอดจากการวิจัยที่ได้รายงานไว้เมื่อปีที่แล้ว ซึ่งบรรยายถึง "ปรากฏการณ์โฟโตโมเลกุล" นี้ แต่ภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ นั่นคือบนพื้นผิวของไฮโดรเจล (hydrogel) ที่เตรียมไว้เป็นพิเศษและแช่ในน้ำ ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจลไม่จำเป็นสำหรับกระบวนการนี้ แต่ปรากฏการณ์ทางโฟโตโมเลกุลเกิดขึ้นที่ผิวน้ำใด ๆ ที่แสงตกกระทบ ไม่ว่าจะเป็นพื้นผิวเรียบ เช่นแหล่งน้ำ หรือพื้นผิวโค้งเหมือนหยดไอน้ำแต่เนื่องจากปรากฏการณ์นี้เป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด ทีมงานจึงพิสูจน์ด้วยหลักฐานต่างๆ จาก 14 บททดสอบว่าน้ำระเหยไปจริง กล่าวคือ โมเลกุลของน้ำถูกกระแทกให้หลุดออกจากผิวน้ำ และลอยขึ้นไปในอากาศ เนื่องจากแสงเพียงอย่างเดียว ไม่ใช่ด้วยความร้อน ตัวบ่งชี้สำคัญประการหนึ่งซึ่งแสดงให้เห็นในการทดลอง 4 แบบที่แตกต่างกันภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันก็คือ เนื่องด้วยน้ำเริ่มระเหยออกจากภาชนะทดสอบภายใต้แสงที่มองเห็นได้ (visible light) อุณหภูมิของอากาศที่วัดเหนือพื้นผิวของน้ำจึงเย็นลง แสดงให้เห็นว่า พลังงานความร้อนไม่ใช่แรงผลักดันให้เกิดการระเหยของน้ำ
อุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการที่ออกแบบมาเพื่อวัด "photomolecular effect" โดยใช้ลำแสงเลเซอร์
เครดิตภาพ: Bryce Vickmark
ตัวบ่งชี้สำคัญอื่นๆ ได้แก่ การระเหยที่แตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับมุม สี และโพลาไรซ์ของแสง ซึ่งคุณสมบัติของแสงที่แตกต่างกันนี้ ไม่น่าจะทำให้เกิดการระเหยของน้ำ เนื่องจากน้ำแทบจะไม่ดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นเหล่านี้เลย แต่นักวิจัยก็ยังสังเกตเห็นการระเหย ซึ่งเมื่อแสงตกกระทบผิวน้ำในมุม 45 องศาจะทำให้เกิดการระเหยของน้ำมากที่สุด นอกจากนี้ค่าการระเหยยังชัดเจนมากด้วยโพลาไรซ์ที่เรียกว่า โพลาไรเซชันแม่เหล็กตามขวาง (transverse magnetic polarization) และ แสงมีสีเขียว ซึ่งเป็นสีที่ทำให้น้ำมีความโปร่งใสมากที่สุดและมีการตอบสนองน้อยที่สุด โดย Chen และนักวิจัย MIT คนอื่นๆ ของการศึกษานี้ ได้เสนอเหตุผลเชิงกลไกทางกายภาพที่อธิบายว่า เมื่อมุมและโพลาไรเซชันของแสงมีผลต่อปรากฏการณ์การระเหยของน้ำ แสดงว่าโฟตอนของแสงสามารถส่งแรงสุทธิ (net force) ให้กับโมเลกุลของน้ำที่ผิวน้ำ ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้ไอน้ำหลุดออกมา แต่พวกเขาก็ยังไม่สามารถอธิบายถึงผลของสีได้ จึงต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม
นักวิจัยในการศึกษานี้ตั้งชื่อปรากฏการณ์นี้ว่า “โฟโตโมเลกุล” โดยเปรียบเทียบกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ที่ค้นพบโดย Heinrich Hertz ในปี 1887 และอธิบายโดย Albert Einstein ในปี 1905 ปรากฏการณ์ดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าแสงมีลักษณะเฉพาะเป็นอนุภาคด้วย ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่สำคัญทางด้านฟิสิกส์ และนำไปสู่การใช้งานที่หลากหลาย รวมถึง LED โดยนักวิจัย MIT กล่าวว่า ปรากฏการณ์โฟโตโมเลกุลมีลักษณะคล้ายกับกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค ที่ปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากอะตอมในวัสดุ เพื่อตอบสนองต่อโฟตอนของแสง ปรากฏการณ์โฟโตโมเลกุลแสดงให้เห็นว่า โฟตอนสามารถปลดปล่อยโมเลกุลทั้งหมดจากพื้นผิวของของเหลวได้
การค้นพบนี้อาจไขปริศนาวิทยาศาสตร์ทางภูมิอากาศ (climate science) ที่มีมานานกว่า 80 ปีได้ จากการวัดว่าเมฆดูดซับแสงแดดได้เท่าไร มักแสดงให้เห็นว่าเมฆดูดซับแสงแดดได้มากกว่าที่ฟิสิกส์ทั่วไประบุได้ การระเหยเพิ่มเติมที่เกิดจากปรากฏการณ์นี้ อาจเป็นสาเหตุให้เกิดความคลาดเคลื่อนดังกล่าวมาอย่างยาวนาน ซึ่งก็เป็นประเด็นถกเถียงอยู่ เนื่องจากการทดลองดังกล่าวทำได้ยาก “ต้องอาศัยข้อมูลดาวเทียมและข้อมูลการบินบนและใต้เมฆ อีกทั้งยังอาศัยข้อมูลอุณหภูมิของมหาสมุทรและความสมดุลของรังสี (radiation balance) ด้วยเหตุนี้จึงสรุปว่า เมฆดูดซับแสงแดดได้มากกว่าที่ทฤษฎีจะคำนวณได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความซับซ้อนของเมฆและความยากลำบากในการวัดผล นักวิจัยจึงกำลังถกเถียงกันว่าความคลาดเคลื่อนดังกล่าวมีจริงหรือไม่ และสิ่งที่การศึกษาในครั้งนี้ค้นพบชี้ให้เห็นว่า มีกลไกอีกอย่างหนึ่งในการดูดซับของเมฆ ซึ่งไม่ได้ถูกนำมาพิจารณา และกลไกนี้อาจอธิบายความคลาดเคลื่อนได้” Chen กล่าว นอกจากนี้นักวิจัย MIT ที่ร่วมทำการศึกษายังกล่าวเสริมว่า บริเวณที่มีการกระจายอุณหภูมิของอากาศแบบคงที่ (flat region in the air-side temperature distribution) เหนือน้ำร้อนก่อนการระเหย เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการทดสอบซ้ำ ที่แสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์การระเหยของน้ำด้วยแสงได้อย่างชัดเจน โปรไฟล์อุณหภูมิคงที่นี้เป็นลักษณะเฉพาะที่เกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องใช้กลไกอื่น เช่นทฤษฎีการระเหยด้วยความร้อน ซึ่งเชื่อมโยงกับการรายงานโดยการใช้อุปกรณ์แยกเกลือออกจากน้ำทะเลด้วยแสงอาทิตย์ (solar desalination devices) ที่แสดงผลถึงอัตราการระเหยที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการให้ความร้อน ด้วยภายใต้สภาวะที่เหมาะสมของสี มุม และโพลาไรเซชัน อัตราการระเหยของน้ำเป็นสี่เท่าของขีดจำกัดความร้อน (thermal limit)
นับตั้งแต่การตีพิมพ์รายงานฉบับแรก ทีมวิจัย MIT ได้รับการติดต่อจากบริษัทต่างๆ ที่หวังจะควบคุมการระเหยของน้ำ เช่น การระเหยของน้ำเชื่อม และการทำแห้งในโรงงานกระดาษ การประยุกต์ใช้งานวิจัยนี้ที่เป็นไปคือ การใช้งานด้านระบบแยกเกลือออกน้ำทะเลด้วยแสงอาทิตย์ หรือกระบวนการทำแห้งทางอุตสาหกรรม ซึ่งการทำแห้งใช้พลังงานร้อยละ 20 ของพลังงานในอุตสาหกรรมทั้งหมด
นักวิจัย MIT กล่าวว่า ปรากฏการณ์นี้น่าจะเป็นเรื่องทั่วไป และการทดลองนี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น การทำการทดสอบและวัดผลใช้เวลานานมาก มีตัวแปรมากมายตั้งแต่การทำความเข้าใจเกี่ยวกับน้ำ ไปจนถึงการขยายไปสู่วัสดุอื่นๆ เช่น ของเหลวอื่นๆ และแม้กระทั่งของแข็ง โดยงานนี้ได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดย MIT Bose Award ขณะนี้นักวิจัยกำลังดำเนินการหาวิธีใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้ในการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลในโครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจากห้องทดลองระบบน้ำและอาหาร Abdul Latif Jameel และโครงการ MIT-UMRP
ข้อมูลอ้างอิง
How light can vaporize water without the need for heat สืบค้นเมื่อ 9 พ.ค. 2567 จาก https://news.mit.edu/2024/how-light-can-vaporize-water-without-heat-0423
Comments