2023 年 10 月 31 日

新發現的過程可以解釋各種自然現象，並實現新的海水淡化方法。( 麻省理工學院新聞 )

蒸發一直在我們周圍發生，從冷卻我們身體的汗水到早晨陽光下燃燒的露水。但科學對這普遍過程的理解可能一直缺少一部分。

近年來，一些研究人員困惑地發現，實驗中的水（被稱為水凝膠的海綿狀材料）蒸發的速度比用熱量或熱能解釋的速度要快。 ，水正在接收。而且超額金額非常巨大——是理論最高利率的兩倍，甚至三倍或更多。

麻省理工學院的一組研究人員進行了一系列新的實驗和模擬，並重新審查了一些聲稱已經超出熱極限的研究小組的一些結果，得出了一個令人震驚的結論：在某些條件下，在水的界面處，光遇到空氣，不需要熱量就可以直接引起蒸發，而且實際上比熱更有效。在這些實驗中，水被保存在水凝膠材料中，但研究人員認為這種現像在其他條件下也可能發生。

這項研究結果發表在麻省理工學院博士後塗耀東、機械工程教授陳剛和其他四人本週在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文中。

研究人員表示，這種現象可能在霧和雲的形成和演化中發揮作用，因此將其納入氣候模型以提高其準確性非常重要。它可能在許多工業過程中發揮重要作用，例如太陽能海水淡化，或許可以取代首先將陽光轉化為熱量的步驟。

新的發現令人驚訝，因為水本身不會吸收任何明顯程度的光。這就是為什麼你可以透過許多英尺深的乾淨水清楚地看到下面的表面。因此，當研究團隊最初開始探索利用太陽能蒸發進行海水淡化的過程時，他們首先將黑色吸光材料的顆粒放入盛有水的容器中，以幫助將陽光轉化為熱量。

然後，該團隊發現了另一個小組的工作，該小組的蒸發率達到了熱極限的兩倍，這是基於基本物理原理（例如守恆），對於給定的熱量輸入可以發生的最高可能蒸發量的能量。正是在這些實驗中，水被束縛在水凝膠中。儘管陳和圖最初持懷疑態度，但他們開始了自己的水凝膠實驗，其中包括另一組的材料。陳說：“我們在太陽模擬器下對其進行了測試，並且它起作用了”，證實了異常高的蒸發率。“所以，我們現在相信他們了。” 陳和塗隨後開始製造和測試他們自己的水凝膠。

他們開始懷疑過度蒸發是由光本身引起的——光的光子實際上是將水分子束從水面上撞松。這種效應只會發生在水和空氣之間的邊界層、水凝膠材料的表面，也可能發生在海面或雲或霧中的水滴表面。

在實驗室中，他們監測了水凝膠的表面，水凝膠是一種類似果凍的基質，主要由海綿狀薄膜晶格結合的水組成。他們測量了它對精確控制波長的模擬陽光的反應。

研究人員將水面依序照射到不同顏色的光線下，並測量蒸發率。他們透過將裝滿水的水凝膠的容器放在天平上，直接測量蒸發損失的質量，以及監測水凝膠表面上方的溫度來做到這一點。燈被屏蔽以防止它們引入額外的熱量。研究人員發現，這種效果會隨顏色的不同而變化，並在綠光的特定波長達到峰值。這種顏色依賴性與熱無關，因此支持光本身至少引起部分蒸發的觀點。

研究人員試圖使用相同的設定來複製觀察到的蒸發速率，但使用電來加熱材料，並且沒有光。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。然而，當模擬陽光打開時，它就這樣做了，證實了光是額外蒸發的原因。

陳說，雖然水本身不吸收太多的光，水凝膠材料本身也不吸收太多的光，但當兩者結合時，它們會變成強烈的吸收劑。這使得該材料能夠有效地利用太陽光子的能量並超過熱極限，而不需要任何深色染料來吸收。

研究人員發現了這種效應（他們稱之為光分子效應），現在正在研究如何將其應用於現實世界的需求。他們獲得了麻省理工學院安利捷水和食品系統實驗室的資助 ，用於研究利用這種現象來提高太陽能海水淡化系統的效率，並獲得了Bose 資助，用於探索這種現象對氣候變遷建模的影響。

屠解釋說，在標準的海水淡化過程中，“通常有兩個步驟：首先我們將水蒸發成蒸汽，然後我們需要冷凝蒸汽以液化成淡水。” 他說，有了這一發現，“我們有可能在蒸發方面實現高效率。” 該工藝也可以應用於需要乾燥材料的製程。

陳說，原則上，他認為使用這種基於光的方法，有可能將太陽能海水淡化的產水量提高三到四倍，目前太陽能淡化海水的產水量為每平方公尺 1.5 公斤。「這可能真的會導致廉價的海水淡化，」他說。

Tu 補充道，這種現像也有可能在蒸發冷卻過程中被利用，利用相變來提供高效的太陽能冷卻系統。

同時，研究人員也與其他試圖複製這些發現的團隊密切合作，希望克服人們對意外發現和解釋這些發現的假設所持的懷疑態度。

[照片]

(A) 根據麻省理工學院的一項研究，在水和空氣的界面上，在某些條件下，光可以在不需要熱量的情況下引起蒸發。

(B) 玻璃上的白色凝結物是水在綠光下從水凝膠中蒸發出來的，無需加熱。