هنالك طريقة واحدة لإنتاج مياه نقية وهي تسخين المياه الملوثة حتى تتحول إلى بخار.
بينما يتصاعد البخار، يخلف وراءه الشوائب الأثقل وزنًا ويمكن جمعه وتبريده، ما يوفر مياه نقية.
توجد طرقٌ عدةٌ لتسخين المياه، إحداها هي استخدام المواد الماصّة للضوء في وسط مائي/هوائي لجمع ضوء الشمس وتحويله إلى حرارة.
هذه الطريقة موفرة جدًا للطاقة لأن جميع الطاقة الشمسية الممتصة تستخدم في تسخين المياه قرب السطح بدلًا من تسخين كل المياه.
في دراسة جديدة نُشرت في مجلة Nano Letters، قام فريق من الباحثين بقيادة موتشان وانج في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين ويادونج ين في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد ببرهنة وشرح طريقة من شأنها القيام بتحسين شديد لكفاءة توليد البخار باستخدام أشعة الشمس وذلك باستخدام بُنى نانوية معدنية بلازمونية (من البلازمون وهو شبه جسيم) ممتصة للضوء.
والبُنى النانوية البلازمونية هي مادة جديدة شائعة خاصة بالعديد من التطبيقات الضوئية، بما في ذلك الخلايا الشمسية والتصوير الضوئي، نظرًا لأنها تتفاعل مع الضوء بطرائق فريدة ويمكن هندستها لتقديم خصائص مرغوبة.
وبالنسبة لتوليد البخار باستخدام أشعة الشمس، على سبيل المثال، يمكن تعديلها للحصول على امتصاص عالٍ للضوء وخصائص استطارة (تشتت الضوء) منخفضة.
ومع ذلك تواجه هذه الطريقة عقبةً واحدةً، وهي أن البُنى النانوية البلازمونية لديها نطاق رنيني ضيق ولذلك يمكنها امتصاص كمية ضئيلة فقط من طيف أشعة الشمس.
في الدراسة الجديدة، كانت النتيجة الأساسية التي توصل إليها الباحثون هي توسيع النطاق الرنيني الضيق للجسيمات النانوية الفضية البلازمونية.
صرح ين لمجلة Phys.org: «لقد برهنا على أن البُنى النانوية المعدنية يمكن هندستها بواسطة الاصطناع (التخليق الكيميائي) لتصبح شديدة الفاعلية في تحويل الضوء واسع الطيف إلى حرارة، ما يُمكِّن من توليد البخار باستخدام أشعة الشمس بطريقة فعالة».
يستند التحسين إلى مفهوم يُدعى الاقتران البلازموني، يحدث عندما يقترب جسيمان نانويَّان من بعضهما، فتهجَن أنماط الرنين الخاصة بهما، ما يوسع نطاقهما الرنيني المشترك ويتيح لهما امتصاص الضوء من نطاق أوسع من الترددات.
على الرغم من أن هذه الطريقة قد جُربت من قبل، ونتج عنها تحسينات ضئيلة فقط في التوسيع الطيفي، فإنه في الدراسة الجديدة قد عزز الباحثون الأداء بقوة باستخدام طريقة إنماء جديدة، إذ تستخدم بذور موزعة بشكل محصور (قريبة من بعضها البعض) “confined seeded growth method” لضمان أن الجسيمات النانوية قريبة من بعضها بشكلٍ كافٍ لاستيعاب التأثيرات.
في هذه الطريقة، تُثبّت البذور على السطح الداخلي للقشور النانوية المبلمرة بتوزيع عشوائي ومن ثم حين تنمو البذور داخل الجسيمات النانوية البلازمونية، تنمو قريبة من بعضها البعض.
تضمن هذه الطريقة كثافة عالية للجسيمات النانوية التي تستفيد من التضييق المكاني وتقوم بامتصاص ضوء واسع النطاق.
يمكن أن تحقق الطريقة الجديدة وفق حسابات الباحثين كفاءة عالية في توليد البخار باستخدام أشعة الشمس تصل إلى 95% وهي أعلى كفاءة مطروحة حتى اليوم.
في اختبار باستخدام ضوء الشمس الطبيعي، حققت الجسيمات النانوية كفاءة تصل إلى 68%.
ويخطط الباحثون لإجراء تحسين أكبر للبُنى النانوية في المستقبل.
قال ين: «خطوتنا التالية المباشرة هي تطوير بُنى نانوية سوداء/داكنة باستخدام مواد لم تستخدم من قبل مثل النحاس والألومنيوم، والهدف هو خفض تكاليف الإنتاج وجعل توليد البخار باستخدام أشعة الشمس بطريقة فعالة أكثر اقتصادًا (أقل تكلفة) وصالحًا للاستخدام على نطاق واسع».
- ترجمة: نهى سليمان
- تدقيق: حسام التهامي
- تحرير: حسام صفاء
- المصدر
