一个令人惊讶的发现是，光可以使水在没有热量的情况下蒸发

蒸发无时无刻不在发生在我们周围，从冷却我们身体的汗水到早晨阳光下燃烧的露水。但科学对这个无处不在的过程的理解可能一直缺失。

近年来，一些研究人员发现，在他们的实验中，水被保存在一种称为水凝胶的海绵状材料中，其蒸发速度高于水所接受的热量或热能所能解释的速度。而且过剩幅度很大——理论上限翻了一番，甚至三倍或更多。

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，并重新检查了各组声称已经超过热极限的一些结果后，得出了一个惊人的结论：在一定条件下，在水与空气相遇的界面上，光可以直接带来蒸发，而不需要加热， 实际上，它比加热更有效率。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在其他条件下发生。

该研究结果于本周发表在 PNAS的一篇论文中，作者是麻省理工学院博士后屠耀东，机械工程教授陈刚和其他四人。

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。

这些新发现令人惊讶，因为水本身不会吸收任何显着的光。这就是为什么你可以透过数英尺的干净水清楚地看到下面的表面。因此，当该团队最初开始探索用于海水淡化的太阳能蒸发过程时，他们首先将一种黑色吸光材料的颗粒放入装水的容器中，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，该小组的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，给定热量输入可以发生的最高蒸发量。正是在这些实验中，水被束缚在水凝胶中。尽管他们最初持怀疑态度，但Chen和Tu开始了自己的水凝胶实验，包括另一组的一块材料。“我们在太阳模拟器下对其进行了测试，它起作用了，”Chen说，证实了异常高的蒸发率。“所以，我们现在相信了他们。”然后，Chen和Tu开始制造和测试他们自己的水凝胶。

他们开始怀疑过度蒸发是由光本身引起的——光子实际上是在将水分子束从水面上击落。这种效应只会发生在水和空气之间的边界层，水凝胶材料的表面，也可能发生在海面或云或雾中的液滴表面。

在实验室中，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太阳光的反应。

研究人员依次将水面置于不同颜色的光照下，并测量了蒸发率。他们通过将一个装有水的水凝胶容器放在秤上并直接测量蒸发损失的质量量以及监测水凝胶表面上方的温度来做到这一点。灯被屏蔽以防止它们引入额外的热量。研究人员发现，这种效应随颜色而变化，并在特定波长的绿光下达到峰值。这种颜色依赖性与热量无关，因此支持了这样一种观点，即是光本身导致了至少一些蒸发。

研究人员试图用相同的设置复制观察到的蒸发率，但使用电力来加热材料，并且没有光。尽管热输入与其他测试相同，但蒸发的水量从未超过热限制。然而，当模拟的阳光打开时，它这样做了，证实了光是额外蒸发的原因。

虽然水本身不吸收太多光，水凝胶材料本身也不吸收太多光，但当两者结合时，它们就会成为强大的吸收剂，Chen说。这使得材料能够有效地利用太阳光子的能量并超过热极限，而不需要任何深色染料来吸收。

在发现了这种效应后，他们称之为光分子效应，研究人员现在正在研究如何将其应用于现实世界的需求。他们获得了麻省理工学院安利捷水和食品系统实验室的资助，用于研究利用这种现象来提高太阳能海水淡化系统的效率，并获得了 Bose 资助，用于探索这种现象对气候变化建模的影响。

Tu解释说，在标准的海水淡化过程中，“它通常有两个步骤：首先我们将水蒸发成蒸汽，然后我们需要将蒸汽冷凝以将其液化成淡水。他说，有了这一发现，我们有可能“在蒸发方面实现高效率”。该工艺也可能在需要干燥材料的工艺中得到应用。

Chen说，原则上，他认为使用这种基于光的方法，可以将太阳能海水淡化产生的水量（目前为每平方米1.5公斤）提高三到四倍。“这可能真的会导致廉价的海水淡化，”他说。

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

与此同时，研究人员还与其他试图复制这些发现的小组密切合作，希望克服对意想不到的发现和正在提出的假设来解释它们的怀疑。

该研究团队还包括麻省理工学院机械工程系的Jiawei Zhou，Shaoting Lin，Mohammed Alshrah和Xuanhe Zhao。