光如何在不需要热量的情况下蒸发水

这是最基本的过程——海洋和湖泊表面的水蒸发，早晨阳光下的雾气燃烧，以及盐水池塘的干燥，留下固体盐分。蒸发无处不在，只要我们存在，人类就一直在观察并利用它。

然而，事实证明，我们一直错过了图片的主要部分。

在一系列煞费苦心的精确实验中，麻省理工学院的一组研究人员已经证明，热量并不是导致水蒸发的唯一因素。光照射到空气和水相遇的水面，可以将水分子分解并将它们漂浮到空气中，在没有任何热源的情况下导致蒸发。

这一惊人的新发现可能会产生广泛的重大影响。它可以帮助解释多年来关于阳光如何影响云层的神秘测量，从而影响气候变化对云层和降水影响的计算。它还可能导致设计工业过程的新方法，例如太阳能海水淡化或材料干燥。

这些发现，以及证明这种现象的真实性及其工作原理的细节的许多不同证据，今天在 PNAS 杂志上，由卡尔·理查德·索德伯格（Carl Richard Soderberg）电力工程教授陈刚（Gang Chen），博士后吕广新（Guangxin Lv）和涂耀东（Yaodong Tu）以及研究生詹姆斯·张（James Zhang）撰写的一篇论文中进行了描述。

作者说，他们的研究表明，这种效应应该在自然界中广泛发生——从云到雾，再到海洋、土壤和植物的表面——它还可能导致新的实际应用，包括能源和清洁水生产。“我认为这有很多应用，”陈说。“我们正在探索所有这些不同的方向。当然，它也会影响基础科学，比如云对气候的影响，因为云是气候模型中最不确定的方面。

一个新发现的现象

这项新工作建立在去年报告的研究基础上，该研究描述了这种新的“光分子效应”，但仅限于非常特殊的条件下：在用水浸泡的特制水凝胶的表面上。在这项新研究中，研究人员证明水凝胶对于该过程不是必需的;它发生在任何暴露在光线下的水面上，无论是像水体这样的平面，还是像云蒸气液滴这样的曲面。

由于这种效果是如此出乎意料，该团队努力用尽可能多的不同证据来证明它的存在。在这项研究中，他们报告了他们进行的14种不同类型的测试和测量，以确定水确实在蒸发 – 也就是说，水分子从水表面被敲散并飘到空气中 – 由于光，而不是由于热量，长期以来被认为是唯一涉及的机制。

在不同条件下的四种不同实验中一致出现的一个关键指标是，当水开始在可见光下从测试容器中蒸发时，在水面上方测量的空气温度冷却然后趋于平稳，表明热能不是效应背后的驱动力。

出现的其他关键指标包括蒸发效应的变化方式，取决于光的角度、光的确切颜色及其偏振。这些变化的特征都不应该发生，因为在这些波长下，水几乎不吸收光 – 但研究人员观察到了它们。

当光线以 45 度角照射到水面时，效果最强。它也具有某种类型的极化，称为横向磁极化。它在绿光中达到峰值——奇怪的是，绿光是水最透明的颜色，因此相互作用最少。

Chen和他的合作研究人员提出了一种物理机制，可以解释这种效应的角度和偏振依赖性，表明光子可以对水表面的水分子施加净力，足以将它们从水体中击落。但他们还不能解释颜色依赖性，他们说这需要进一步研究。

他们将其命名为光分子效应，类似于海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）在1887年发现并最终由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在1905年解释的光电效应。这种效应是最早证明光也具有粒子特性的证明之一，这在物理学中具有重大意义，并导致了包括LED在内的各种应用。研究人员说，正如光电效应在被光子击中时从材料中的原子中释放电子一样，光分子效应表明光子可以从液体表面释放整个分子。

“由光而不是热引起的蒸发的发现为光与水的相互作用提供了新的颠覆性知识，”普渡大学机械工程教授阮秀林说，他没有参与这项研究。“它可以帮助我们重新了解阳光如何与云、雾、海洋和其他自然水体相互作用以影响天气和气候。它具有重要的潜在实际应用，例如由太阳能驱动的高性能海水淡化。这项研究是罕见的真正革命性的发现之一，这些发现并没有立即被社会广泛接受，但需要时间，有时是很长的时间才能得到证实。

解决云难题

这一发现可能会解开气候科学中一个长达80年的谜团。对云如何吸收阳光的测量通常表明，它们吸收的阳光比传统物理学所规定的要多。这种效应造成的额外蒸发可以解释长期存在的差异，这一直是一个有争议的话题，因为很难进行这种测量。

“这些实验是基于卫星数据和飞行数据，”陈解释说。“他们在云层的顶部和下方驾驶飞机，还有基于海洋温度和辐射平衡的数据。他们都得出结论，云的吸收比理论所能计算的要多。然而，由于云的复杂性和进行此类测量的困难，研究人员一直在争论这种差异是否真实。我们的发现表明，嘿，还有另一种云吸收机制，没有被考虑在内，这种机制可以解释这种差异。

陈说，他最近在美国物理学会的一次会议上谈到了这一现象，一位研究云和气候的物理学家说，他们从未想过这种可能性，这可能会影响云对气候的复杂影响的计算。该团队使用照射在人造云室上的LED进行了实验，他们观察到雾的加热，这不应该发生，因为水不会在可见光谱中吸收。“这种加热可以更容易地根据光分子效应来解释，”他说。

Lv说，在许多证据中，“热水上方空气侧温度分布的平坦区域将最容易被人们复制。他说，这种温度曲线“是一个特征”，清楚地展示了这种影响。

Zhang补充说：“如果不援引其他一些机制，就很难解释这种平坦的温度曲线是如何产生的”，超出了公认的热蒸发理论。“它将很多人在他们的太阳能海水淡化设备中报告的内容联系在一起，”这再次显示了无法用热输入解释的蒸发率。

效果可能很大。在颜色、角度和偏振的最佳条件下，Lv说，“蒸发速率是热极限的四倍。

Chen说，自从第一篇论文发表以来，已经有希望利用这种效应的公司与该团队接洽，包括在造纸厂蒸发糖浆和干燥纸张。他说，最有可能的首批应用将出现在太阳能海水淡化系统或其他工业干燥工艺领域。“干燥消耗了所有工业能源消耗的 20%，”他指出。

因为这种效果是如此新奇和出乎意料，Chen说，“这种现象应该是非常普遍的，我们的实验实际上只是一个开始。证明和量化效果所需的实验非常耗时。“有许多变量，从了解水本身，到扩展到其他材料、其他液体甚至固体，”他说。

“手稿中的观察结果指出了一种新的物理机制，从根本上改变了我们对蒸发动力学的看法，”佐治亚理工学院机械工程副教授Shannon Yee说，他与这项工作无关。他补充道，“谁会想到我们还在学习像水蒸发这样平凡的事情？

“我认为这项工作在科学上非常重要，因为它提出了一种新的机制，”阿尔伯塔大学杰出教授珍妮特·A·W·埃利奥特（Janet A.W. Elliott）说，她也与这项工作无关。“它也可能对技术和我们对自然的理解具有实际意义，因为水的蒸发无处不在，而且这种效应似乎比已知的热机制提供了更高的蒸发率。… 我的总体印象是这项工作非常出色。它似乎是经过许多精确的实验精心完成的，相互支持。

这项工作得到了麻省理工学院Bose奖的部分支持。