走进科学
无需加热，光可直接蒸发水
MIT研究人员发现“光分子效应”，光可直接蒸发水，影响气候变化计算和工业应用。
这是最基本的过程之一——海洋和湖泊表面的水蒸发，晨雾在阳光下消散，盐湖干涸后留下固态盐。蒸发现象无处不在，人类自古以来便一直观察并利用它。
然而，事实证明，我们一直以来都忽略了这一现象的重要部分。
在一系列精确的实验中，麻省理工学院(MIT)的一组研究人员证明，导致水蒸发的不仅仅是热量。光照射在空气和水的交界面上，可以将水分子击离水面并使其进入空气，从而在没有任何热源的情况下引起蒸发。
这一令人惊讶的新发现可能具有广泛的重要意义。它有助于解释多年来关于阳光如何影响云层的神秘测量结果，从而影响气候变化对云层覆盖和降水的计算。它还可能引发新型工业工艺设计，例如太阳能驱动的海水淡化或材料干燥。
今天，MIT的Carl Richard Soderberg动力工程教授Gang Chen、博士后Guangxin Lv和Yaodong Tu以及研究生James Zhang在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的论文中详细描述了这一发现及其工作的诸多证据。
研究人员表示，他们的研究表明，这种效应在自然界中广泛存在——从云层到雾气，再到海洋、土壤和植物的表面——并且它还可能带来新的实际应用，包括在能源和清洁水生产方面。Chen说：“我认为这有很多应用前景，我们正在探索这些不同的方向。当然，这也会影响基础科学，如云对气候的影响，因为云是气候模型中最不确定的方面。”
新发现的现象
这项新工作建立在去年报道的研究基础上，该研究描述了这种新的“光分子效应”，但仅在非常特殊的条件下：在浸泡在水中的特制水凝胶表面。在新的研究中，研究人员证明了水凝胶对这一过程来说并不是必要的；只要有光照射到水面，无论是平坦的水面还是如云滴般的弯曲表面，这一效应都会发生。
由于这一效应如此出乎意料，研究团队通过尽可能多的不同证据来证明其存在。在这项研究中，他们报告了14种不同的测试和测量，以证明水确实在蒸发——也就是说，水分子被光子击离水面并进入空气——而不是通过热量蒸发，这一直以来被认为是唯一的机制。
一个关键指标，在不同条件下的四种不同实验中始终一致，即当可见光照射下的测试容器中的水开始蒸发时，水面上方的空气温度下降并趋于平稳，显示出热能不是这一效应的驱动力。
其他关键指标包括蒸发效应随光线角度、光线颜色和偏振的不同而变化。在这些波长下，水几乎不吸收光，但研究人员观察到了这些变化。
这一效应在光线以45度角照射水面时最强，在一种称为横向磁偏振的特定偏振类型下也最强，并在绿色光中达到峰值——奇怪的是，绿色光是水最透明、与之相互作用最少的颜色。
Chen和他的研究团队提出了一个物理机制来解释这一效应的角度和偏振依赖性，显示光子可以对水表面的水分子施加足够的净力，使它们从水体中击离。但他们尚无法解释颜色依赖性，这需要进一步研究。
他们将这种效应命名为光分子效应，类似于Heinrich Hertz在1887年发现并由Albert Einstein在1905年解释的光电效应。光电效应是首次展示光也具有粒子特性的现象，具有重大的物理学意义，并导致了包括LED在内的广泛应用。研究人员表示，正如光电效应使光子能够将材料中的电子解放出来一样，光分子效应显示光子能够将整个分子从液体表面解放出来。
Purdue大学机械工程教授Xiulin Ruan表示：“这一发现提供了关于光与水相互作用的新破坏性知识。”他没有参与这项研究。“它有助于我们更好地了解阳光如何与云、雾、海洋等自然水体相互作用，影响天气和气候。它具有显著的实际应用潜力，如太阳能驱动的高效水淡化。这项研究是极少数真正革命性的发现之一，最初并不为学术界广泛接受，但随着时间的推移，有时需要很长时间，才能得到确认。”
解开云层之谜
这一发现可能解开气候科学中的一项80年谜题。对云层如何吸收阳光的测量结果经常显示云层吸收的阳光比传统物理学所能解释的多。这一效应引起的额外蒸发可能解释了长期以来的这一差异，这一直是争议的主题，因为这种测量很难进行。
Chen解释道：“这些实验基于卫星数据和飞行数据，他们在云层上方和下方飞行的飞机数据，以及基于海洋温度和辐射平衡的数据，所有这些都得出结论，云层吸收的阳光比理论计算的更多。然而，由于云层的复杂性和进行这些测量的困难，研究人员一直在争论这些差异是否真实。我们的发现表明，有另一种云层吸收机制未被考虑，这一机制可能解释了这些差异。”
Chen说，他最近在美国物理学会会议上谈论了这一现象，一位研究云层和气候的物理学家表示，他们从未考虑过这种可能性，这可能会影响对云层对气候复杂影响的计算。研究团队使用LED照射人工云室进行实验，他们观察到了雾气的加热，这本不该发生，因为水在可见光谱中不吸收光。“这种加热可以更容易地用光分子效应解释，”他说。
Lv表示，众多证据中，“热水上方空气侧温度分布的平坦区域将是人们最容易重现的。”这种温度分布“是明确展示这一效应的标志，”他说。
Zhang补充道：“在不引入超出热蒸发已知理论的其他机制的情况下，很难解释这种平坦温度分布是如何产生的。这与许多报告其太阳能淡化装置中的人所观察到的现象相吻合，这些装置的蒸发率无法用热输入解释。”
这一效应可能相当显著。在最优条件的颜色、角度和偏振下，Lv表示，“蒸发率是热限的四倍。”
自第一篇论文发表以来，已有公司联系研究团队，希望利用这一效应，Chen说，包括用于蒸发糖浆和纸厂的纸张干燥。最可能的首个应用领域将是太阳能淡化系统或其他工业干燥过程，他说。“干燥消耗了所有工业能耗的20%。”
由于这一效应如此新颖和出人意料，Chen说：“这种现象应该非常普遍，我们的实验只是个开始。”证明和量化这一效应的实验非常耗时。“有许多变量，从理解水本身，到扩展到其他材料、其他液体甚至固体，”他说。
乔治亚理工学院机械工程副教授Shannon Yee表示：“该手稿中的观察结果指出了一种新物理机制，从根本上改变了我们对蒸发动力学的思考。”他补充道：“谁能想到我们对像水蒸发这样平凡的事物还在学习？”
阿尔伯塔大学杰出教授Janet A.W. Elliott表示：“我认为这项工作在科学上非常重要，因为它提出了一种新机制。”她还表示：“它可能对技术和我们对自然的理解具有重要的实际意义，因为水的蒸发无处不在，并且这种效应似乎提供了显著高于已知热机制的蒸发率。……我的总体印象是这项工作非常出色。许多精确的实验相互支持，使人们对这一现象有了深入理解。”