Согласно недавнему исследованию, проведенному учеными из Массачусетского технологического института, для испарения воды тепло не всегда требуется. Существует альтернативный метод, который может быть даже более эффективным, чем использование нагрева.
С самого детства известно, что испарение вещества (превращение из жидкого состояния в газообразное) начинается при нагревании, но при температуре, которая ниже точки кипения. Энергия движения каждой молекулы вещества возрастает настолько, что она способна преодолеть силы притяжения, удерживающие ее рядом с соседними молекулами, и покинуть жидкость, то есть превратиться в пар. Обычно в качестве источника этой энергии служит тепло, которое на Земле главным образом поступает от солнечного света.
Недавно ученые, изучающие пористый материал, называемый гидрогелем, обнаружили необычные явления. В частности, было зафиксировано, что вода, удерживаемая гидрогелем в неактивном состоянии, испаряется в 2–3 раза быстрее, чем при воздействии на нее тепла.
Чтобы выяснить причину столь необычного испарения, исследователи из Массачусетского технологического института (США) во главе с Яодонгом Ту провели ряд моделирований и экспериментов с использованием гидрогеля, а также пересмотрели некоторые данные из предыдущих научных работ. В ходе исследования ученые сделали неожиданственное открытие: свет, воздействуя на границу раздела «воздух — вода», может непосредственно вызывать испарение, минуя этап нагрева. Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Яодонг Ту и его коллеги провели эксперимент, разместив контейнер с гидрогелем, содержащим воду, на весы. Затем они последовательно подвергали гидрогель воздействию искусственного света различной длины волны и фиксировали изменения температуры над его поверхностью. Также исследователи измеряли массу, потерянную гидрогелем вследствие испарения. Чтобы исключить влияние тепла, световые лампы были закрыты специальными экранами.
Ученые выяснили, что скорость испарения воды была значительно выше при воздействии света, чем при нагревании. Этот показатель зависел от длины волны света и достигал пикового значения в диапазоне зеленого цвета (от 500 до 565 нанометров). В публикации авторы подчеркивают, что эта связь с цветом не обусловлена температурой, что, по сути, доказывает, что испарение воды связано именно с воздействием света, а не с теплом.
Американские исследователи повторили эксперимент в условиях отсутствия света, используя идентичные материалы и оборудование, но применив электричество. В ходе этого опыта скорость испарения воды оставалась в пределах, соответствующих «тепловой норме», и значительно уступала показателям, зафиксированным при воздействии света.
«Мы изначально предполагали, что причиной испарения является свет. Фотоны воздействуют на молекулы воды, выводя их с поверхности, и этот процесс наблюдается исключительно на границе воздуха и воды, а также на поверхности гидрогеля», — пояснил Ту.
Исследователи полагают, что, несмотря на то, что открытие было сделано в лабораторных условиях, аналогичный эффект может проявляться и в окружающей среде, такой как поверхность океана, капли в облаках или туман. Тем не менее, в естественных условиях тепло, скорее всего, продолжит играть ключевую роль в процессе испарения.
Ученые дали новому явлению название «фотомолекулярный эффект» и в настоящее время исследуют возможности его практического применения. В числе прочего, они планируют использовать его для увеличения эффективности солнечных систем опреснения и намерены оценить влияние на климатические изменения.