光分子效應

從讓我們身體降溫的汗水，到在晨光下消散的露珠……水的蒸發是一種每時每刻都在我們周圍發生的過程。但對這個普遍過程的科學理解，卻一直存在部分缺失。

近年來，一些研究人員困惑地發現，當水被保存在多孔吸收體材料中時，由太陽能驅動的水的蒸發速率會超過理論的熱蒸發極限，是理論上的最大速率的兩三倍，甚至更多。然而，科學家對這種現象的機制尚不清楚。

在一項新的研究中，由麻省理工學院的Gang Chen（陳剛）教授所領導的研究團隊在進行了一系列實驗和模擬之後，得出了一個驚人的結論：在某些條件下，光可以在無需熱量的情況下，直接在水與空氣的界面上引起蒸發，而且它能比熱量更有效地導致蒸發。

在一篇於近日發表在《美國國家科學院院刊》上的論文中，研究人員將這一過程稱為光分子效應，類似於眾所周知的光電效應。

水凝膠實驗中的異常蒸發

當該團隊開始實驗時，由於水本身並不能吸收光，因此為了將陽光轉化為熱量，他們最初將一種黑色的吸光顆粒放入了一個盛水的容器中。他們注意到，在另一個研究團隊的工作中，研究人員通過將水被保存在水凝膠中，觀測到了蒸發速率是熱極限的兩倍的現象。對於這樣的結果，Chen與他的團隊最初非常驚訝，因為基於能量守恆等基本物理原理，這是對應於給定的熱量輸入所能產生的最大蒸發量。

於是，他們用相同的材料對水凝膠進行了實驗，並在太陽模擬器下對其進行了測試。實驗結果證實了這種異常高的蒸發速率。接著，他們開始製作和測試自己的水凝膠。

水凝膠是一種類似果凍的基質，主要由海綿狀的薄膜晶格結合水組成。一開始，他們懷疑這種過量蒸發是由光本身引起的，是光子把水分子束從水面上震鬆了。因此，在實驗室中，他們監測了水凝膠的表面。

與顏色有關的蒸發

研究人員利用能精確控制波長的光波模擬陽光，測量了當不同顏色的光按順序照射在水面上時的水的蒸發速率。他們將一個含有大量水的水凝膠容器放在秤上，直接測量被蒸發掉的質量，並監測水凝膠表面上的溫度。與此同時，他們還遮蔽了燈，以防止它們帶來額外的熱量。

他們發現，蒸發效應會隨著光的顏色的變化而變化，並在特定波長的綠光下達到峰值。這種對顏色的依賴與熱量無關，因此意味著至少有部分蒸發是由光引發的。

玻璃上的白色凝結物是水凝膠在沒有加熱的情況下，用綠光蒸發出來的水。（圖/Yaodong Tu et. al via MIT News）

接下來，研究人員試圖用相同的裝置來複現已觀測到的蒸發速率。這次，他們用電取代了光來加熱材料。結果表明，儘管輸入的熱量與之前相同，但蒸發的水量並沒有超過熱極限。然而，當打開模擬陽光時，蒸發的水量就會超越熱極限，這證實了光是造成過量蒸發的原因。

雖然無論是水還是水凝膠，都不會吸收太多的光，但當二者結合時，它們就變成了強吸收體。這使得這種材料能有效地利用太陽光的能量，在沒有任何深色染料來幫助吸收的情況下，超越熱極限。研究人員將這種效應命名為光分子效應。

現實世界的廣泛應用

雖然在實驗中，水被保存在水凝膠材料中。但研究人員認為，這種光分子效應也可以廣泛發生在其他自然環境中，比如它可能在霧和雲的形成以及演變中發揮作用，對地球的水循環、氣候變化產生重大影響；另外，這種現象也可能在許多工業過程中發揮重要作用，在海水淡化和能源技術方面具有潛在應用。

#創作團隊：

編譯：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

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

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：AMDUMA / Pixabay