一项令人惊讶的发现：光可以使水蒸发，而不需要热量

蒸发是无处不在的现象，我们汗水的散热到晨露在阳光下消失都是例证。然而，我们对这一普遍过程的理解可能仍有所欠缺。

近年来，一些研究人员在实验中发现，水分被吸收进类似海绵的物质——水凝胶之后，其蒸发速度超出了仅由水接受的热量所能解释的最大速率。这种蒸发速度显著——是理论最大速率的两倍，甚至是三倍或更多。

麻省理工学院的研究团队通过新的实验和模拟，以及重新审视其他几个声称超过热极限的团队的结果，得出了一个惊人的结论：在特定条件下，水与空气接触的界面上，光可以直接引起蒸发而不仅仅是通过热量，并且这一效应实际上比纯热量作用更为高效。在这些实验中，尽管水被保持在水凝胶材料中，研究人员认为这种现象可能在其他条件下也会发生。

这项研究结果已经在《美国国家科学院院刊》上发表，由麻省理工学院的博士后涂耀东、机械工程学教授陈刚及其团队共同完成。

这种现象可能在雾和云的形成及演变中起作用，因此，将其纳入气候模型对于提高模型的精度至关重要。它也可能在许多工业过程中发挥重要角色，如太阳能水蒸馏，可能提供了一种不必将阳光转换为热能的替代方法。

这一新发现之所以引人注目，是因为水分子本身并不显著吸收光——这就解释了为何我们能清晰看到几英尺深的清澈水底。因此，当研究团队最初探究利用太阳能进行水淡化时，他们首先考虑的是将吸光的黑色材料颗粒放入水中，以帮助转换阳光能量为热能。

后来，团队注意到了另一个组织的工作，该组织实现了热极限两倍的蒸发率。热极限是在给定热输入的情况下，基于物理原理如能量守恒所能达到的最大蒸发量。正是在这些实验中，水被固定在水凝胶内。尽管起初持怀疑态度，陈刚和涂耀东开始了他们自己的水凝胶实验，并包括了来自另一团队的材料样本。“我们在太阳能模拟器下进行了测试，效果显著，”陈刚说，“因此，我们现在相信了这些结果。”之后，陈刚和涂耀东开始制造并测试他们自己的水凝胶。

他们开始怀疑，过量蒸发可能是光本身引起的——即光子从水表面直接敲击出水分子。这种效应仅在水与空气的边界层发生，也就是水凝胶材料表面，可能也在海面或云雾中的水滴表面发生。

在实验室中，他们监测了水凝胶表面的反应，它是一种主要由海绵状薄膜晶格结合的水组成的类似果冻的矩阵。他们用精确控制波长的模拟阳光来测量其反应。

研究人员用不同颜色的光照射水表面，测量蒸发率。他们将装有水凝胶的容器放在秤上，直接测量了蒸发造成的质量损失，并监测了水凝胶表面上方的温度来完成这一操作。为了避免灯光引入额外热量，研究人员遮挡了灯光。他们发现这种效应随着颜色的不同而变化，并在特定波长的绿光下达到峰值。这种对颜色的依赖性与热无关，从而支持了光本身至少引起了部分蒸发的假设。

研究人员尝试使用相同的设置来复制观察到的蒸发率，但只用电力加热材料而不用光。尽管热输入与其他测试相同，但蒸发的水量从未超过热极限。相反，在模拟的阳光下，蒸发量确实超出了预期，证实了光是额外蒸发的原因。

尽管水本身对光的吸收不多，水凝胶材料本身也不吸收光，但两者结合时，它们变成了强烈的吸收体。这使得材料能够高效地利用太阳能光子的能量，并超越了热极限，而不需要任何黑色染料来吸收。

研究人员现在正致力于如何将此现象应用于现实世界需求。他们已经获得了阿卜杜拉蒂夫·贾米尔水和食物系统实验室的资助，研究如何利用这种现象来提高太阳能淡化系统的效率，并且获得了Bose Grant以探索该现象对气候变化建模的影响。

涂耀东解释，在标准淡化过程中，“通常包含两个步骤：首先将水蒸发成蒸汽，然后将蒸汽凝结成液体，以转化为淡水。”他提到，这一发现能“在蒸发方面实现高效率。”这个过程也可能在需要干燥材料的其他过程中找到应用。

陈刚认为，原则上可能使用这种基于光的方法将太阳能淡化产生的水量提高三到四倍，目前每平方米可以产生1.5公斤的水。“这可能真的导致了廉价淡化水的生产，”他说。

涂耀东还提出，这种现象也可能在蒸发冷却过程中得到利用，使用相变来提供一种高效的太阳能冷却系统。

同时，研究人员也正在与其他团队紧密合作，试图复制这些发现，以克服对意外发现以及用于解释这些发现的假说的怀疑。

研究团队还包括麻省理工学院机械工程系的周佳伟、林少婷、穆罕默德·阿尔沙赫和赵煊。