蒸发一直在我们周围发生，从冷却我们身体的汗水到早晨阳光下燃烧的露水。但科学对这一普遍过程的理解可能一直缺失一部分。
近年来，一些研究人员困惑地发现，实验中的水(被称为水凝胶的海绵状材料)的蒸发速度高于热量或热能所能解释的速度。，水正在接收。超出的幅度非常大——是理论最大速率的两倍，甚至三倍或更多。
麻省理工学院的一组研究人员进行了一系列新的实验和模拟，并重新审查了一些声称已经超出热极限的研究小组的一些结果，得出了一个令人震惊的结论：在某些条件下，在水的界面处，光遇到空气，不需要热量就可以直接引起蒸发，而且实际上比热更有效。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在其他条件下也可能发生。
该研究结果发表在麻省理工学院博士后涂耀东、机械工程教授陈刚和其他四人本周在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中。
研究人员表示，这种现象可能在雾和云的形成和演化中发挥作用，因此将其纳入气候模型以提高其准确性非常重要。它还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，或许可以替代首先将阳光转化为热量的步骤。
新的发现令人惊讶，因为水本身不会吸收任何明显程度的光。这就是为什么你可以透过许多英尺深的干净水清楚地看到下面的表面。因此，当研究小组最初开始探索利用太阳能蒸发进行海水淡化的过程时，他们首先将黑色吸光材料的颗粒放入盛有水的容器中，以帮助将阳光转化为热量。
玻璃上的白色凝结物是水在绿光下从水凝胶中蒸发出来的，无需加热。图片来源：YaodongTu等人
然后，该团队发现了另一个小组的工作，该小组的蒸发率达到了热极限的两倍，这是基于基本物理原理(例如守恒定律)，在给定的热量输入下可能发生的最高蒸发量。的能量。正是在这些实验中，水被束缚在水凝胶中。尽管陈和图最初持怀疑态度，但他们开始了自己的水凝胶实验，其中包括另一组的材料。
陈说：“我们在太阳模拟器下对其进行了测试，并且它起作用了”，证实了异常高的蒸发率。“所以，我们现在相信他们了。”陈和涂随后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——光的光子实际上将水分子束从水面上撞松。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水滴表面。
在实验室中，他们监测了水凝胶的表面，水凝胶是一种类似果冻的基质，主要由海绵状薄膜晶格结合的水组成。他们测量了它对精确控制波长的模拟阳光的反应。
研究人员将水面依次照射到不同颜色的光下，并测量蒸发率。他们通过将装满水的水凝胶的容器放在天平上，直接测量蒸发损失的质量，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，这种效果随颜色的不同而变化，并在绿光的特定波长处达到峰值。这种颜色依赖性与热无关，因此支持光本身至少引起部分蒸发的观点。
研究人员试图使用相同的设置来复制观察到的蒸发速率，但使用电来加热材料，并且没有光。尽管热输入与其他测试中相同，但蒸发的水量从未超过热极限。然而，当模拟阳光打开时，它就这样做了，证实了光是额外蒸发的原因。
陈说，虽然水本身不吸收太多的光，水凝胶材料本身也不吸收太多的光，但当两者结合时，它们会成为很强的吸收剂。这使得该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。
研究人员发现了这种效应(他们将其称为光分子效应)，现在正在研究如何将其应用于现实世界的需求。他们计划研究利用这种现象来提高太阳能海水淡化系统的效率，并探索这种现象对气候变化建模的影响。
屠解释说，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，然后我们需要冷凝蒸汽以液化成淡水。”他说，有了这一发现，“我们有可能在蒸发方面实现高效率”。该工艺还可以应用于需要干燥材料的工艺中。
陈说，原则上，他认为使用这种基于光的方法，有可能将太阳能海水淡化的产水量提高三到四倍，目前太阳能淡化海水的产水量为每平方米1.5公斤。“这可能真正导致廉价的海水淡化，”他说。
Tu补充道，这种现象也有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团队密切合作，希望克服人们对意外发现和解释这些发现的假设所持的怀疑态度。