一项令人惊讶的发现：光可以使水在没有热量的情况下蒸发

根据麻省理工学院的一项研究，在水和空气的界面，光在一定条件下可以在不需要热量的情况下引起蒸发。

　　

蒸发每时每刻都在我们周围发生，从冷却我们身体的汗水到在早晨阳光下燃烧掉的露水。但科学对这个无处不在的过程的理解可能一直都缺失了一部分。

近年来，一些研究人员困惑地发现，在他们的实验中，水被保存在一种叫做水凝胶的海绵状材料中，水的蒸发速度比水吸收的热量或热能所能解释的要快。而且过剩的幅度很大——是理论最大速率的两倍，甚至三倍甚至更多。

麻省理工学院的一组研究人员在进行了一系列新的实验和模拟，并重新检查了一些声称已经超过热极限的小组的一些结果后，得出了一个惊人的结论:在某些条件下，在水与空气的界面上，光可以直接引起蒸发，而不需要热量，而且它实际上比热量更有效。在这些实验中，水被保存在水凝胶材料中，但研究人员认为，这种现象也可能发生在其他条件下。

本周，麻省理工学院博士后Yaodong Tu、机械工程教授Gang Chen和其他四人在《PNAS》上发表了一篇论文。

研究人员说，这种现象可能在雾和云的形成和演变中发挥作用，因此将其纳入气候模型以提高其准确性非常重要。它可能在许多工业过程中发挥重要作用，例如太阳能海水淡化，也许可以替代首先将阳光转化为热量的步骤。

这项新发现令人惊讶，因为水本身并不吸收任何程度的光。这就是为什么你可以透过几英尺深的清水清楚地看到下面的表面。因此，当该团队最初开始探索太阳能蒸发脱盐的过程时，他们首先将一种黑色的吸光材料颗粒放入一个盛水的容器中，以帮助将阳光转化为热量。

然后，该团队遇到了另一个小组的工作，他们已经实现了蒸发速率是热极限的两倍——这是基于能量守恒等基本物理原理，给定热量输入时可能发生的最高蒸发量。正是在这些实验中，水被束缚在水凝胶中。虽然他们最初持怀疑态度，但他们仍然开始了实验，包括来自另一个小组的材料。“我们在太阳模拟器下测试了它，它工作了，”证实了异常高的蒸发速率，Chen说。“所以，我们现在相信了他们。”然后，开始制作和测试他们自己的水凝胶。

他们开始怀疑过度的蒸发是由光本身引起的——光子实际上是把水分子束从水面上震松的。这种效应只会发生在水和空气的交界层，水凝胶材料的表面，也可能发生在海洋表面或云或雾中的水滴表面。

在实验室里，他们监测了水凝胶的表面，水凝胶是一种类似JELL-O的基质，主要由由海绵状薄膜晶格结合的水组成。他们用精确控制的波长测量了它对模拟阳光的反应。

研究人员将不同颜色的光按顺序照射在水面上，并测量了蒸发速率。他们把一个装满水的水凝胶容器放在秤上，直接测量蒸发损失的质量，同时监测水凝胶表面以上的温度。灯被屏蔽起来以防止它们带来额外的热量。研究人员发现，这种效果随着颜色的不同而变化，在特定波长的绿光下达到峰值。这种对颜色的依赖与热量无关，因此支持了这样一种观点，即至少是光本身引起了部分蒸发。

研究人员试图用相同的装置复制观察到的蒸发速率，但使用电来加热材料，而不使用光。尽管热输入与其他测试相同，但蒸发的水量从未超过热极限。然而，当模拟的阳光打开时，它就会这样做，这证实了光是额外蒸发的原因。

虽然水本身不吸收太多的光，水凝胶材料本身也不吸收，但当两者结合时，它们就变成了强吸收剂，陈说。这使得这种材料能够有效地利用太阳光子的能量，并超越热极限，而不需要任何深色染料来吸收。

研究人员发现了这种效应，并将其命名为光电分子效应，现在他们正在研究如何将其应用于现实世界。他们获得了安利捷水与食品系统实验室的资助，用于研究利用这一现象来提高太阳能海水淡化系统的效率，并获得了Bose赠款，用于探索这一现象对气候变化模型的影响。

Tu解释说，在标准的海水淡化过程中，“通常有两个步骤:首先我们将水蒸发成蒸汽，然后我们需要将蒸汽冷凝成液化成淡水。”有了这个发现，“我们就有可能在蒸发方面实现高效率。”该工艺也可以应用于需要干燥材料的工艺。

Chen说，原则上，他认为利用这种基于光的方法，有可能将太阳能脱盐产生的水的限制从目前的每平方米1.5公斤提高到三到四倍。他说:“这可能真的会导致廉价的海水淡化。”

Tu补充说，这种现象也有可能在蒸发冷却过程中得到利用，利用相变提供高效的太阳能冷却系统。

与此同时，研究人员也在与其他试图复制这些发现的团体密切合作，希望克服人们对这些意外发现和解释这些发现的假说的怀疑。

“Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.”