MIT研究人員發現「光分子效應」，光可直接蒸發水，影響氣候變化計算和工業應用。
這是最基本的過程之一——海洋和湖泊表面的水蒸發，晨霧在陽光下消散，鹽湖乾涸後留下固態鹽。蒸發現象無處不在，人類自古以來便一直觀察並利用它。
然而，事實證明，我們一直以來都忽略了這一現象的重要部分。
在一系列精確的實驗中，麻省理工學院(MIT)的一組研究人員證明，導致水蒸發的不僅僅是熱量。光照射在空氣和水的交界面上，可以將水分子擊離水面並使其進入空氣，從而在沒有任何熱源的情況下引起蒸發。
這一令人驚訝的新發現可能具有廣泛的重要意義。它有助於解釋多年來關於陽光如何影響雲層的神秘測量結果，從而影響氣候變化對雲層覆蓋和降水的計算。它還可能引發新型工業工藝設計，例如太陽能驅動的海水淡化或材料乾燥。
今天，MIT的Carl Richard Soderberg動力工程教授Gang Chen、博士後Guangxin Lv和Yaodong Tu以及研究生James Zhang在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表的論文中詳細描述了這一發現及其工作的諸多證據。
研究人員表示，他們的研究表明，這種效應在自然界中廣泛存在——從雲層到霧氣，再到海洋、土壤和植物的表面——並且它還可能帶來新的實際應用，包括在能源和清潔水生產方面。Chen說：「我認為這有很多應用前景，我們正在探索這些不同的方向。當然，這也會影響基礎科學，如雲對氣候的影響，因為雲是氣候模型中最不確定的方面。」
新發現的現象
這項新工作建立在去年報道的研究基礎上，該研究描述了這種新的「光分子效應」，但僅在非常特殊的條件下：在浸泡在水中的特製水凝膠表面。在新的研究中，研究人員證明了水凝膠對這一過程來說並不是必要的；只要有光照射到水面，無論是平坦的水面還是如雲滴般的彎曲表面，這一效應都會發生。
由於這一效應如此出乎意料，研究團隊通過儘可能多的不同證據來證明其存在。在這項研究中，他們報告了14種不同的測試和測量，以證明水確實在蒸發——也就是說，水分子被光子擊離水面並進入空氣——而不是通過熱量蒸發，這一直以來被認為是唯一的機制。
一個關鍵指標，在不同條件下的四種不同實驗中始終一致，即當可見光照射下的測試容器中的水開始蒸發時，水面上方的空氣溫度下降並趨於平穩，顯示出熱能不是這一效應的驅動力。
其他關鍵指標包括蒸發效應隨光線角度、光線顏色和偏振的不同而變化。在這些波長下，水幾乎不吸收光，但研究人員觀察到了這些變化。
這一效應在光線以45度角照射水面時最強，在一種稱為橫向磁偏振的特定偏振類型下也最強，並在綠色光中達到峰值——奇怪的是，綠色光是水最透明、與之相互作用最少的顏色。
Chen和他的研究團隊提出了一個物理機制來解釋這一效應的角度和偏振依賴性，顯示光子可以對水表面的水分子施加足夠的淨力，使它們從水體中擊離。但他們尚無法解釋顏色依賴性，這需要進一步研究。
他們將這種效應命名為光分子效應，類似於Heinrich Hertz在1887年發現並由Albert Einstein在1905年解釋的光電效應。光電效應是首次展示光也具有粒子特性的現象，具有重大的物理學意義，並導致了包括LED在內的廣泛應用。研究人員表示，正如光電效應使光子能夠將材料中的電子解放出來一樣，光分子效應顯示光子能夠將整個分子從液體表面解放出來。
Purdue大學機械工程教授Xiulin Ruan表示：「這一發現提供了關於光與水相互作用的新破壞性知識。」他沒有參與這項研究。「它有助於我們更好地了解陽光如何與雲、霧、海洋等自然水體相互作用，影響天氣和氣候。它具有顯著的實際應用潛力，如太陽能驅動的高效水淡化。這項研究是極少數真正革命性的發現之一，最初並不為學術界廣泛接受，但隨着時間的推移，有時需要很長時間，才能得到確認。」
（示意圖）
解開雲層之謎
這一發現可能解開氣候科學中的一項80年謎題。對雲層如何吸收陽光的測量結果經常顯示雲層吸收的陽光比傳統物理學所能解釋的多。這一效應引起的額外蒸發可能解釋了長期以來的這一差異，這一直是爭議的主題，因為這種測量很難進行。
Chen解釋道：「這些實驗基於衛星數據和飛行數據，他們在雲層上方和下方飛行的飛機數據，以及基於海洋溫度和輻射平衡的數據，所有這些都得出結論，雲層吸收的陽光比理論計算的更多。然而，由於雲層的複雜性和進行這些測量的困難，研究人員一直在爭論這些差異是否真實。我們的發現表明，有另一種雲層吸收機制未被考慮，這一機制可能解釋了這些差異。」
Chen說，他最近在美國物理學會會議上談論了這一現象，一位研究雲層和氣候的物理學家表示，他們從未考慮過這種可能性，這可能會影響對雲層對氣候覆雜影響的計算。研究團隊使用LED照射人工雲室進行實驗，他們觀察到了霧氣的加熱，這本不該發生，因為水在可見光譜中不吸收光。「這種加熱可以更容易地用光分子效應解釋，」他說。
Lv表示，眾多證據中，「熱水上方空氣側溫度分佈的平坦區域將是人們最容易重現的。」這種溫度分佈「是明確展示這一效應的標誌，」他說。
Zhang補充道：「在不引入超出熱蒸發已知理論的其他機制的情況下，很難解釋這種平坦溫度分佈是如何產生的。這與許多報告其太陽能淡化裝置中的人所觀察到的現象相吻合，這些裝置的蒸發率無法用熱輸入解釋。」
這一效應可能相當顯著。在最優條件的顏色、角度和偏振下，Lv表示，「蒸發率是熱限的四倍。」
自第一篇論文發表以來，已有公司聯繫研究團隊，希望利用這一效應，Chen說，包括用於蒸發糖漿和紙廠的紙張乾燥。最可能的首個應用領域將是太陽能淡化系統或其他工業乾燥過程，他說。「乾燥消耗了所有工業能耗的20%。」
由於這一效應如此新穎和出人意料，Chen說：「這種現象應該非常普遍，我們的實驗只是個開始。」證明和量化這一效應的實驗非常耗時。「有許多變量，從理解水本身，到擴展到其他材料、其他液體甚至固體，」他說。
喬治亞理工學院機械工程副教授Shannon Yee表示：「該手稿中的觀察結果指出了一種新物理機制，從根本上改變了我們對蒸發動力學的思考。」他補充道：「誰能想到我們對像水蒸發這樣平凡的事物還在學習？」
艾伯塔大學傑出教授Janet A.W. Elliott表示：「我認為這項工作在科學上非常重要，因為它提出了一種新機制。」她還表示：「它可能對技術和我們對自然的理解具有重要的實際意義，因為水的蒸發無處不在，並且這種效應似乎提供了顯著高於已知熱機制的蒸發率。……我的總體印象是這項工作非常出色。許多精確的實驗相互支持，使人們對這一現象有了深入理解。」
