Tercer Milenio
En colaboración con ITA
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Hágase la luz… y el vapor de agua
El agua se evapora al calentarse, eso lo sabemos todos. Pero ¿sabías que la luz visible puede provocar la evaporación del agua por acción directa?
El agua se calienta y se evapora cuando se aplica sobre ella una fuente de calor, cuando se le proporciona la energía térmica suficiente: ya sea al poner un cazo al fuego, sobre una resistencia eléctrica (en una cocina eléctrica); cuando el recipiente ferromagnético que la contiene se coloca sobre un campo electromagnético (en una cocina de inducción); o cuando el agua de mar se calienta al absorber la radiación infrarroja del sol. Pero ¿puede la luz visible evaporar el agua?
Hasta ahora se asumía que no era posible debido a que el agua apenas la absorbe. Sin embargo, una investigación efectuada por científicos del MIT ha puesto de manifiesto que, en determinadas condiciones, la luz visible también es capaz de provocar la evaporación del agua.
El sorprendente e impactante descubrimiento surgió casi de forma accidental, propiciado por los anómalos resultados registrados en varias investigaciones previas con hidrogeles en los que la evaporación medida excedía de forma muy significativa la prevista atendiendo a la energía térmica proporcionada al sistema. Unas divergencias que llevaron a los investigadores del MIT a indagar en la cuestión y a realizar una serie de experimentos que les han permitido concluir que, bajo ciertas condiciones, la luz visible puede evaporar el agua de forma directa, sin aporte de energía térmica.
En este caso la evaporación tiene lugar mediante un fenómeno o proceso bautizado por sus descubridores como 'efecto fotomolecular' por ser en gran medida paralelo al 'efecto fotoeléctrico' descubierto por el físico alemán Heinrich Hertz en 1887 y explicado por Albert Einstein en 1905, en uno de los cuatro revolucionarios artículos que publicó en ese, para él, annus mirabilis. Una explicación por la que además le sería concedido el premio Nobel de Física en 1921 -"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect".
Efecto fotoeléctrico
El 'efecto fotoeléctrico' es el fenómeno por el cual un haz de luz es capaz de arrancar electrones al incidir sobre la superficie de un metal. Tal y como dedujo Einstein, si la luz se puede entender como un chorro de fotones, de paquetes de energía, entonces cuando uno de estos impacta sobre uno de los electrones exteriores de la nube electrónica metálica, le transmite parte de su energía cinética, lo que provoca que el electrón salga eyectado -una situación comparable a la que tiene lugar cuando una bola de billar impulsada por el taco impacta con otra localizada en la periferia de un grupo de bolas (la nube electrónica) y la arranca de su 'posición'-.
Efecto fotomolecular
Del mismo modo, en el propuesto 'efecto fotomolecular' los fotones de luz visible, al impactar sobre las moléculas de agua más superficiales, localizadas en la interfase agua-aire (y por tanto más desprotegidas y más débilmente retenidas al no estar rodeadas por sus iguales por todos los lados), son capaces se suministrar la energía suficiente para romper el débil enlace de hidrógeno que las mantiene unidas al resto de moléculas de agua, propiciando así que moléculas individuales o pequeños grupos de ellas queden libres.
Si estos cúmulos de moléculas son 'reintegrados' en la masa del agua por efecto de las fuerzas atractivas entre moléculas, se habla de 'efecto fotomolecular interno'. Pero cuando esos grupos de moléculas 'escapan' a la capa de aire localizada sobre la interfase, se habla de 'efecto molecular externo' y, lo más trascendente, la evaporación se hace efectiva.
Como se ha dicho, tanto los experimentos previos como los experimentos efectuados por los investigadores del MIT para encontrar una explicación se realizaron midiendo la evaporación de agua retenida en un hidrogel: un material con una estructura tipo malla o red tridimensional en cuyos huecos quedan atrapadas las moléculas de agua. Una estructura que puede asimilarse a la de una esponja, donde mínimas cantidades de agua están ocluidas en cada poro.
En estos materiales se dan las condiciones idóneas para que tenga lugar la evaporación fotomolecular, ya que se maximiza la interfase agua-aire y las moléculas de agua están dispuestas en 'fila india', por lo que basta con vencer un enlace de hidrógeno para que el grupo de moléculas más exteriores pasen a la atmósfera. No obstante, tal y como señalan los responsables del estudio, el efecto fotomolecular probablemente también ocurra en otros ambientes o entornos que presenten unas condiciones que igualmente maximicen la interfase agua-aire, como puede ser la capa superficial del mar, la superficie de las gotas que conforman las nubes o la niebla o incluso la superficie de las hojas de las plantas. En estos entornos, el efecto fotomolecular contribuiría de forma sensible a la evaporación total y, por lo tanto, participaría en el ciclo del agua y en los fenómenos meteorológicos y los patrones climáticos.
Un pico máximo de evaporación en verde
En el marco de sus experimentos, los investigadores del MIT expusieron los hidrogeles a haces de luz visible de diferentes longitudes de onda (chorros de luz de diferentes colores). Así, observaron que el grado de evaporación depende del color y presenta su pico máximo cuando se aplica luz verde (con una longitud de onda de 520 nm). Algo que interpretan atendiendo a que la energía de un fotón depende de su frecuencia (energía = constante de Planck x frecuencia). Así, los fotones del rojo al amarillo portan menos energía y son capaces de arrancar menos moléculas de agua (en la analogía del billar, cuando la bola es impulsada por el taco con gran velocidad pone en movimiento a casi todas las bolas agrupadas en el centro. Pero si viaja a poca velocidad, solo será capaz de poner en movimiento alguna).
¿Y la luz azul, de mayor frecuencia y por tanto con fotones con más energía? ¿por qué no evapora aún más agua? En este caso, parte de los fotones sí son absorbidos por las moléculas de agua (al portar una energía que se corresponde con una transición electrónica), con lo que en lugar de contribuir a la evaporación fotomolecular, lo que hacen es calentar el agua.
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