Группа ученых из Массачусетского технологического института в новом исследовании показала, что для испарения воды наличие тепла вовсе не обязательно. Есть другой способ справиться с такой задачей, причем даже более эффективно, чем с помощью нагрева.
Со школьной скамьи известно, что испарение вещества (переход из жидкого состояния в газообразное) происходит при его нагревании, при температуре ниже температуры кипения. Кинетическая энергия каждой молекулы вещества увеличивается настолько, что они могут преодолеть потенциальную энергию притяжения соседних молекул и вылететь из жидкости, проще говоря — превратиться в пар. Как правило, в таких случаях источником энергии служит тепло, которое в земных условиях приносится в основном солнечным светом.
В последнее время некоторые исследователи, экспериментируя с похожим на губку материалом, известным как гидрогель, столкнулись с некоторыми странностями. В частности, они заметили, что вода, которая содержалась в гидрогеле, «в состоянии покоя» испарялась в два-три раза быстрее, чем когда на нее воздействовали тепловой энергией.
Чтобы узнать, в чем может быть причина столь странного испарения, команда ученых из Массачусетского технологического института (США) под руководством Яодонга Ту провела серию моделирований и экспериментов с гидрогелем, а также повторно изучила некоторые результаты исследований различных научных групп. Ученые пришли к неожиданному открытию. Оказалось, на границе раздела «воздух — вода» свет может напрямую вызвать испарение без нагрева. Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Яодонг Ту и его команда поместили контейнер с гидрогелем, наполненным водой, на весы и последовательно подвергали его воздействию искусственного света с разной длиной волны. После чего отследили температуру над поверхностью гидрогеля и измерили массу, которую он потерял в результате испарения. Световые лампы ученые предварительно закрыли специальными экранами, чтобы исключить влияние тепла на систему.
Исследователи обнаружили, что вода испарялась гораздо быстрее, чем под воздействием тепла. Скорость испарения менялась от длины волны света и достигла максимума при длине волны зеленого света (от 500 до 565 нанометров). Авторы научной работы отметили, что эта зависимость от цвета не имеет никакого отношения к теплу, поэтому фактически подтверждает идею о том, что испарение воды связано именно со светом, а не с теплом.
Затем американские ученые воспроизвели этот же эксперимент в темноте, с помощью тех же материалов и установки, но с использованием электричества и без света. В новом опыте скорость испарения воды оставалась в пределах «тепловой нормы» и была намного ниже той, которая наблюдалась при воздействии света.
«Еще до начала нашего эксперимента мы предположили, что испарение вызывает именно свет. Пучки фотонов выбивают молекулы воды с ее поверхности, и происходит это только на разделе воздуха и воды, на поверхности гидрогеля», — пояснил Ту.
Авторы исследования уверены, что хотя их открытие было сделано в лаборатории, этот эффект будет наблюдаться и в окружающем мире, например на поверхности моря, каплях в облаках или тумане. Однако в природе тепло, вероятно, все равно будет выполнять основную часть работы по испарению вещества.
Команда ученых назвала новое явление «фотомолекулярным эффектом» и сейчас работает над тем, чтобы найти способ его применения в реальной жизни. В частности, они планируют использовать это явление для повышения эффективности систем опреснения, работающих на солнечной энергии, а также изучить его влияние на изменение климата.