[논문 리뷰] Photomolecular Effect: Visible Light Absorption at Water-Vapor Interface

Yaodong Tu, Gang Chen|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 22.

Solar-Powered Water Purification Methods인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수증기-물계면에서 수분 클러스터의 분해를 통해 가시광선이 직접 흡수되는 새로운 메커니즘인 광분자 효과를 제안한다. 이 메커니즘은 외부 흡수체 없이도 효율적인 광열증발을 가능하게 한다. 부피적 흡수는 약하지만, 증발 속도의 파장, 입사각, 편광에 대한 의존성과 증기상에서의 스펙트럼 서명을 통해 이 효과가 입증되며, 대기 과정과 태양열 증발 기술에 광범위한 영향을 미칠 가능성이 제기된다.

ABSTRACT

The evaporation of water is ubiquitous in nature and industrial technologies. The known mechanism for evaporation is "thermal evaporation" which highlights the energy input for evaporation is via heat. Due to the weak absorption of water to visible light, the first step to using solar energy to evaporate water is usually by converting it into thermal energy through photothermal processes via additional absorbing materials. Contrary to this conventional wisdom, we report here strong absorption of photons in the visible spectrum at the water-vapor interface by direct cleavage of water clusters via a process we call photomolecular effect. We show that this process happens at the water-vapor interface by measuring the dependence of the photomolecular evaporation rate on the wavelength, the angle of incidence, and the polarization of the incident light. The spectra signatures in the vapor phase further support the photomolecular effect. Despite the long propagation lengths of visible light in bulk water, we demonstrate that they can heat a thin layer of fog easily, suggesting that this process is ubiquitous. The photomolecular effect will have significant implications for the earth's water cycle, global warming, plant transpiration, as well as different technologies involving the evaporation of liquids from drying to power generation

연구 동기 및 목표

• 가시광선이 이전에 인식되지 않은 메커니즘을 통해 물-수증기 계면에서 직접 증발을 유도할 수 있는지 조사하는 것.
• 물이 가시광선을 약하게 흡수하므로 태양증발은 외부 흡수체를 통한 광열 변환을 필요로 한다는 기존의 개념을 도전하는 것.
• 공기-물계면에서 가시광선 조명에 의한 증가된 증발의 물리적 기원을 탐구하는 것.
• 관측된 효과가 표면광물리적 거동 때문인지, 부피적 광학적 성질이나 실험적 오류 때문인지 판단하는 것.
• 이 효과가 자연 과정(예: 수문순환)과 태양열 증발 및 전력 생성 기술과 같은 기술적 응용에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 파장, 입사각, 편광 상태에서 가시광선 조명 하에서의 증발 속도를 측정하는 실험을 수행하였다.
• 다른 조명 조건에서의 결과를 비교하기 위해 증발하는 물방울의 정밀 질량 측정을 통해 광분자 효과를 정량화하였다.
• 수증기상을 스펙트럼 기법으로 분석하여 클러스터 분해를 나타내는 분자 조각과 서명을 탐지하였다.
• 증기 증발 증가의 주요 원인이 열대류나 열전도 효과가 아니라는 것을 확인하기 위해 대조 실험을 실시하였다.
• 기울어진 빛의 입사로 인한 초기 저울 읽기의 체계적 오류를 발견한 후, 실험 프rotocol을 재수정하였다.
• 새로운 실험을 통해 측정 오류 수정 후에도 광분자 효과가 유지됨을 확인하여 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가시광선이 열증발 이외의 메커니즘을 통해 수증기-물계면에서 직접 물 증발을 유도할 수 있는가?
• RQ2 계면에서의 수분 클러스터 구조가 가시광선 흡수와 해리에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 빛의 파장, 입사각, 편광이 증발 속도에 미치는 영향은 무엇이며, 이러한 의존성은 기반이 되는 메커니즘을 어떻게 드러내는가?
• RQ4 증기상에서 관측된 스펙트럼 서명이 일시적인 수분 클러스터의 분해와 일치하는가?
• RQ5 이 효과가 nebl, 태양증발 장치와 같은 자연계 및 공학계 시스템에서 어느 정도 발생하는가?

주요 결과

• 광분자 효과는 이 범위에서 부피 수분의 약한 흡수에도 불구하고 수증기-물계면에서 강한 가시광선 흡수를 가능하게 한다.
• 증발 속도는 가시광선 조명 하에서 크게 증가하며, 파장, 입사각, 편광에 대한 의존성이 있어 방향성 있고 선택적인 표면 과정임을 나타낸다.
• 증기상에서의 스펙트럼 서명은 조명 조건에서 수분 클러스터의 분해를 뒷받침하며, 제안된 메커니즘에 대한 직접적 증거를 제공한다.
• 가시광선이 부피 수분에서 긴 전파 길이를 가지더라도 이 효과는 계면에 매우 국소적으로 집중되어 얇은 nebl 층을 효율적으로 가열할 수 있다.
• 현상은 강건하고 재현 가능하며, 빛의 입사각과 관련된 초기 측정 오류를 수정한 후에도 새로운 실험을 통해 효과가 유지됨을 확인하였다.
• 광분자 효과는 지구의 수문순환, 지구온난화, 식물의 증산과 같은 대기과학 분야뿐 아니라 태양에너지 수확 기술 분야에도 광범위한 영향을 미친다.