Физики не подтвердили новый механизм испарения воды под действием света
Физики не нашли подтверждения гипотезе о том, что видимый свет способен напрямую ускорять испарение чистой воды без её нагрева. Красный, зелёный и синий лазеры с интенсивностью, сопоставимой с солнечным излучением, не изменили измеряемую скорость испарения. Даже сверхкороткие лазерные импульсы с пиковой интенсивностью выше 10¹⁰ Вт/см² не вызвали заметных изменений в структуре верхних молекулярных слоёв воды.
Исследование провели специалисты Института исследований полимеров Общества Макса Планка в Майнце. Работа проверяет так называемый фотомолекулярный эффект — предложенный ранее механизм, согласно которому фотоны видимого света способны непосредственно выбивать из поверхности воды небольшие группы молекул, не превращая энергию света сначала в тепло.
Эта гипотеза привлекла внимание после экспериментов, в которых освещённые гидрогели и другие структуры демонстрировали необычно высокую скорость испарения. В отдельных работах наиболее выраженный эффект наблюдался при зелёном свете около 520 нанометров. Предполагалось, что свет непосредственно нарушает сеть водородных связей на границе между водой и воздухом.
Новая группа решила проверить этот механизм непосредственно на чистой воде. Её поверхность освещали лазерами с длинами волн 450, 532 и 635 нанометров. Мощность составляла около 1000 Вт/м² — примерно соответствует потоку солнечного излучения. Луч падал на поверхность под углом 45°, как и в некоторых предыдущих экспериментах.
Высокоточный конфокальный датчик непрерывно измерял снижение уровня воды. Каждый эксперимент включал 30 минут без света, 30 минут с включённым лазером и ещё 30 минут после его выключения. Измерения проводили как практически в сухом воздухе с влажностью ниже 0,1%, так и при относительной влажности примерно 27–36%.
Заметного ускорения испарения не обнаружили ни при одной длине волны. В сухом воздухе изменение скорости составляло от −1,8 до −0,8%, а при обычной влажности — от −0,1 до +0,7%. Погрешность метода позволяла обнаружить изменение примерно от 4,8%, тогда как предыдущие исследования сообщали об эффектах порядка 12–40%.
Особенно показателен результат для зелёного света с длиной волны 532 нанометра. Именно в этой области спектра ранее сообщалось о наиболее сильном фотомолекулярном эффекте, однако в новом эксперименте скорость испарения при включении зелёного лазера не изменилась.
Исследователи одновременно проверили происходящее на молекулярном уровне. Для этого использовали поверхностно-чувствительную колебательную спектроскопию, позволяющую исследовать несколько самых верхних молекулярных слоёв воды и отслеживать состояние водородных связей и ориентацию молекул.
Если видимый свет действительно выбивает из поверхности связанные группы молекул, как предполагает фотомолекулярная гипотеза, этот процесс должен менять спектральные признаки водородных связей. Однако при освещении никаких таких изменений обнаружено не было.
Учёные дополнительно проверили, не требуется ли для эффекта намного более сильное электрическое поле света. Поверхность облучали сверхкороткими импульсами длительностью порядка фемтосекунд на длинах волн 515, 800 и 1030 нанометров. Пиковая интенсивность превышала 10¹⁰ Вт/см² — более чем на десять порядков выше условий обычных непрерывных экспериментов. Даже при таком воздействии структура водородных связей на поверхности заметно не изменилась.
Этот эксперимент не показывает, что интенсивное солнечное испарение в гидрогелях или пористых материалах невозможно. Напротив, такие системы действительно могут испарять воду очень эффективно. Однако новый результат указывает, что причина, вероятнее всего, связана с поглощением света материалом, локальным нагревом, особенностями переноса тепла и пара или геометрией поверхности, а не с неизвестным свойством самих молекул воды.
Авторы ограничивают вывод чистой плоской границей вода–воздух и исследованными диапазонами длин волн, интенсивностей и влажности. Работа поэтому не закрывает все возможные варианты взаимодействия света со сложными водосодержащими материалами, но устанавливает жёсткое ограничение на идею, что обычная чистая вода обладает собственным сильным не тепловым механизмом испарения под действием видимого света.
Результат имеет значение для разработок солнечного опреснения и получения воды, поскольку необычно высокие скорости испарения в таких устройствах необходимо правильно связывать с физическими свойствами самих материалов. Он также ограничивает возможное влияние предполагаемого фотомолекулярного эффекта на природное испарение и климатические процессы.
Исследование в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.