一項令人驚訝的發現：光可以使水蒸發，而不需要熱量

蒸發是無處不在的現象，我們汗水的散熱到晨露在陽光下消失都是例證。然而，我們對這一普遍過程的理解可能仍有所欠缺。

近年來，一些研究人員在實驗中發現，水分被吸收進類似海綿的物質——水凝膠之後，其蒸發速度超出了僅由水接受的熱量所能解釋的最大速率。這種蒸發速度顯著——是理論最大速率的兩倍，甚至是三倍或更多。

麻省理工學院的研究團隊通過新的實驗和模擬，以及重新審視其他幾個聲稱超過熱極限的團隊的結果，得出了一個驚人的結論：在特定條件下，水與空氣接觸的界面上，光可以直接引起蒸發而不僅僅是通過熱量，並且這一效應實際上比純熱量作用更爲高效。在這些實驗中，儘管水被保持在水凝膠材料中，研究人員認爲這種現象可能在其他條件下也會發生。

這項研究結果已經在《美國國家科學院院刊》上發表，由麻省理工學院的博士後塗耀東、機械工程學教授陳剛及其團隊共同完成。

這種現象可能在霧和雲的形成及演變中起作用，因此，將其納入氣候模型對於提高模型的精度至關重要。它也可能在許多工業過程中發揮重要角色，如太陽能水蒸餾，可能提供了一種不必將陽光轉換爲熱能的替代方法。

這一新發現之所以引人注目，是因爲水分子本身並不顯著吸收光——這就解釋了爲何我們能清晰看到幾英尺深的清澈水底。因此，當研究團隊最初探究利用太陽能進行水淡化時，他們首先考慮的是將吸光的黑色材料顆粒放入水中，以幫助轉換陽光能量爲熱能。

後來，團隊注意到了另一個組織的工作，該組織實現了熱極限兩倍的蒸發率。熱極限是在給定熱輸入的情況下，基於物理原理如能量守恆所能達到的最大蒸發量。正是在這些實驗中，水被固定在水凝膠內。儘管起初持懷疑態度，陳剛和塗耀東開始了他們自己的水凝膠實驗，幷包括了來自另一團隊的材料樣本。“我們在太陽能模擬器下進行了測試，效果顯著，”陳剛說，“因此，我們現在相信了這些結果。”之後，陳剛和塗耀東開始製造並測試他們自己的水凝膠。

他們開始懷疑，過量蒸發可能是光本身引起的——即光子從水錶面直接敲擊出水分子。這種效應僅在水與空氣的邊界層發生，也就是水凝膠材料表面，可能也在海面或雲霧中的水滴表面發生。

在實驗室中，他們監測了水凝膠表面的反應，它是一種主要由海綿狀薄膜晶格結合的水組成的類似果凍的矩陣。他們用精確控制波長的模擬陽光來測量其反應。

研究人員用不同顏色的光照射水錶面，測量蒸發率。他們將裝有水凝膠的容器放在秤上，直接測量了蒸發造成的質量損失，並監測了水凝膠表面上方的溫度來完成這一操作。爲了避免燈光引入額外熱量，研究人員遮擋了燈光。他們發現這種效應隨着顏色的不同而變化，並在特定波長的綠光下達到峯值。這種對顏色的依賴性與熱無關，從而支持了光本身至少引起了部分蒸發的假設。

研究人員嘗試使用相同的設置來複制觀察到的蒸發率，但只用電力加熱材料而不用光。儘管熱輸入與其他測試相同，但蒸發的水量從未超過熱極限。相反，在模擬的陽光下，蒸發量確實超出了預期，證實了光是額外蒸發的原因。

儘管水本身對光的吸收不多，水凝膠材料本身也不吸收光，但兩者結合時，它們變成了強烈的吸收體。這使得材料能夠高效地利用太陽能光子的能量，並超越了熱極限，而不需要任何黑色染料來吸收。

研究人員現在正致力於如何將此現象應用於現實世界需求。他們已經獲得了阿卜杜拉蒂夫·賈米爾水和食物系統實驗室的資助，研究如何利用這種現象來提高太陽能淡化系統的效率，並且獲得了Bose Grant以探索該現象對氣候變化建模的影響。

塗耀東解釋，在標準淡化過程中，“通常包含兩個步驟：首先將水蒸發成蒸汽，然後將蒸汽凝結成液體，以轉化爲淡水。”他提到，這一發現能“在蒸發方面實現高效率。”這個過程也可能在需要乾燥材料的其他過程中找到應用。

陳剛認爲，原則上可能使用這種基於光的方法將太陽能淡化產生的水量提高三到四倍，目前每平方米可以產生1.5公斤的水。“這可能真的導致了廉價淡化水的生產，”他說。

塗耀東還提出，這種現象也可能在蒸發冷卻過程中得到利用，使用相變來提供一種高效的太陽能冷卻系統。

同時，研究人員也正在與其他團隊緊密合作，試圖複製這些發現，以克服對意外發現以及用於解釋這些發現的假說的懷疑。

研究團隊還包括麻省理工學院機械工程系的周佳偉、林少婷、穆罕默德·阿爾沙赫和趙煊。