光分子效应

从让我们身体降温的汗水，到在晨光下消散的露珠……水的蒸发是一种每时每刻都在我们周围发生的过程。但对这个普遍过程的科学理解，却一直存在部分缺失。

近年来，一些研究人员困惑地发现，当水被保存在多孔吸收体材料中时，由太阳能驱动的水的蒸发速率会超过理论的热蒸发极限，是理论上的最大速率的两三倍，甚至更多。然而，科学家对这种现象的机制尚不清楚。

在一项新的研究中，由麻省理工学院的Gang Chen（陈刚）教授所领导的研究团队在进行了一系列实验和模拟之后，得出了一个惊人的结论：在某些条件下，光可以在无需热量的情况下，直接在水与空气的界面上引起蒸发，而且它能比热量更有效地导致蒸发。

在一篇于近日发表在《美国国家科学院院刊》上的论文中，研究人员将这一过程称为光分子效应，类似于众所周知的光电效应。

水凝胶实验中的异常蒸发

当该团队开始实验时，由于水本身并不能吸收光，因此为了将阳光转化为热量，他们最初将一种黑色的吸光颗粒放入了一个盛水的容器中。他们注意到，在另一个研究团队的工作中，研究人员通过将水被保存在水凝胶中，观测到了蒸发速率是热极限的两倍的现象。对于这样的结果，Chen与他的团队最初非常惊讶，因为基于能量守恒等基本物理原理，这是对应于给定的热量输入所能产生的最大蒸发量。

于是，他们用相同的材料对水凝胶进行了实验，并在太阳模拟器下对其进行了测试。实验结果证实了这种异常高的蒸发速率。接着，他们开始制作和测试自己的水凝胶。

水凝胶是一种类似果冻的基质，主要由海绵状的薄膜晶格结合水组成。一开始，他们怀疑这种过量蒸发是由光本身引起的，是光子把水分子束从水面上震松了。因此，在实验室中，他们监测了水凝胶的表面。

与颜色有关的蒸发

研究人员利用能精确控制波长的光波模拟阳光，测量了当不同颜色的光按顺序照射在水面上时的水的蒸发速率。他们将一个含有大量水的水凝胶容器放在秤上，直接测量被蒸发掉的质量，并监测水凝胶表面上的温度。与此同时，他们还屏蔽了灯，以防止它们带来额外的热量。

他们发现，蒸发效应会随着光的颜色的变化而变化，并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，因此意味着至少有部分蒸发是由光引发的。

玻璃上的白色凝结物是水凝胶在没有加热的情况下，用绿光蒸发出来的水。（图/Yaodong Tu et. al via MIT News）

接下来，研究人员试图用相同的装置来复现已观测到的蒸发速率。这次，他们用电取代了光来加热材料。结果表明，尽管输入的热量与之前相同，但蒸发的水量并没有超过热极限。然而，当打开模拟阳光时，蒸发的水量就会超越热极限，这证实了光是造成过量蒸发的原因。

虽然无论是水还是水凝胶，都不会吸收太多的光，但当二者结合时，它们就变成了强吸收体。这使得这种材料能有效地利用太阳光的能量，在没有任何深色染料来帮助吸收的情况下，超越热极限。研究人员将这种效应命名为光分子效应。

现实世界的广泛应用

虽然在实验中，水被保存在水凝胶材料中。但研究人员认为，这种光分子效应也可以广泛发生在其他自然环境中，比如它可能在雾和云的形成以及演变中发挥作用，对地球的水循环、气候变化产生重大影响；另外，这种现象也可能在许多工业过程中发挥重要作用，在海水淡化和能源技术方面具有潜在应用。

参考来源：

https://news.mit.edu/2023/surprising-finding-light-makes-water-evaporate-without-heat-1031

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2312751120

封面图&首图：AMDUMA / Pixabay